令人困惑的「雙縫幹涉實驗」,到底是什麼情況?

2020-11-22 魅力科學君

你觀察一隻飛行中的蚊子時,儘管它不停的飛來飛去,但實際上它在每一個時間點裡只會出現在一個位置,這就是粒子性。波動性的現象也簡單,你往平靜的水平扔一顆小石頭,當它落入水中的時候所產生的漣漪就是波動性,而當你連扔兩個小石頭的時候,當它們產生的波紋互相接近時,就會產生波的幹涉現象。

在我們的常識中,我們觀測到的現象,要麼表現出粒子性,要麼表現出波動性。而在微觀世界裡,我們的常識就不是那麼好用了,因為那些微小的粒子,它們具有「波粒二象性」,簡單的講,就是它們的行動方式既可以是波動性質,也可以是粒子性質。

「雙縫幹涉實驗」就是為了演示微觀粒子的波粒二象性而做的實驗。其具體方式為:連續發射單個的電子穿過有著兩條縫隙的障礙物,最後這些電子會落在用於觀測的屏幕上,以便於觀察,在重複了很多次的這個過程之後,其實驗結果如下圖所示。

我們可以看出,這個實驗結果顯示出了幹涉現象,也就是說電子在運動過程中表現出了波的性質,它能夠以波的形式同時穿過兩條縫隙,並且「與自己產生幹涉現象」。看到這裡,你肯定會認為這並沒什麼「令人困惑」的,別急,我們接著講。

雖然我們無法直接看見電子,但是可以通過感應裝置來觀察它,為了搞明白電子在這個過程中的運動軌跡,研究人員在兩個縫隙上都安裝了能夠觀察電子的感應裝置,這樣我們就可以知道,電子到底是通過了哪一個縫隙。

然後詭異的事情就發生了,當研究人員安裝了感應裝置之後,再次進行雙縫實驗時,他們驚奇的發現,電子的幹涉條紋消失了,不管發射了多少個電子,它們都只表現出粒子性。而當研究人員移除了感應裝置,電子的幹涉條紋馬上就又出現了!這個實驗的結果讓科學家非常困惑,為了保證電子的運行軌跡不被幹擾,研究人員使用了攝像機來對電子進行觀測,但其結果還是和以前一模一樣。

「好吧,既然這樣,那麼我在確定你通過了縫隙之後,再來拍攝你總可以了吧?」研究人員這樣想到,於是就有了「延遲雙縫幹涉實驗」,其過程是這樣的,當研究人員通過高科技手段確定電子處於「已經穿過了縫隙,但是還沒落在擋板上」的時候,馬上用攝像機來觀測電子。然而令研究人員目瞪口呆的是,這個實驗的結果依然和之前的實驗結果相同!

研究人員並不甘心,他們又做了更高級的「量子擦除試驗」,這次他們的實驗對象是光子。這個實驗利用了光子的偏振性以及量子糾纏原理,他們在兩個縫隙上安裝了不同的介質,當光子通過某個縫隙的時候,由於介質的存在,它的偏振性就會發生改變,如果這個光子是與另一個光子處於量子糾纏態的話,那麼另一個光子的狀態也會發生相應的改變。

簡單的講,有一對處於量子糾纏態光子A和B,一個研究人員將光子B用來實驗,另一個研究人員卻「偷偷的」通過光子A來觀測光子B的狀態。由於量子糾纏的超距作用,研究人員就可以神不知、鬼不覺的觀測用於實驗的光子。

看到在這裡,我們不得不佩服相關研究人員的腦洞,居然能想出這樣的方法。然而事實上,這個實驗的結果仍然和以前的相同:當有觀測者的時候,根本就不會出現幹涉條紋,而沒有觀測者的時候,幹涉條紋又詭異的出現!

關於「雙縫幹涉實驗」還有很多的升級版,這裡就不一一描述,但是這些實驗的結果都是一樣,即微觀粒子就像是一個個有思想的、無所不知的精靈,當沒有觀測者的時候,它們是一個個波函數,而當它們知道有人在觀測它的時候,它們馬上就只表現出粒子性,從不例外!

「雙縫實驗」的結果,使人們或多或少的對這個世界的真實性產生了懷疑,如果我們沒有觀測的時候,那些除了我們自己可以觀測到的人和事以外,其他的很多人和事會不會都是以「波函數」形式存在?當我們觀測到某個人的時候,這個人就變得真實了,他(她)的過去、現在也就被確定了?而當我們不再觀測這個人,那麼他(她)是不是又回到了「波函數」的形式呢?

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家關注我們,我們下次再見`

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