雙縫幹涉實驗最早由託馬斯·楊於18世紀初提出。一束單色光,穿過兩條平行的狹窄雙縫,會在光屏上投射出明暗相間的幹涉條紋,這就是雙縫幹涉實驗。
該實驗起初僅僅證明了光具有波動性,可在之後卻顛覆了人們對世界的原有認知。理察·費曼曾說:雙縫幹涉實驗是量子力學的核心實驗,就是因為雙縫幹涉實驗能夠展現量子力學的奧秘。
關於雙縫幹涉實驗,得從光的粒子說和波動說這兩個理論的爭議說起。
牛頓是人類歷史上最偉大的科學家之一,他不僅發現了光的色散,還提出微粒說,認為光是由一個一個的微小粒子組成的。而在同時代,惠更斯認為光是一種波。直到1807年,託馬斯·楊通過雙縫試驗發現了光的幹涉現象,證明光是一種波而非粒子,光的波動說成為正統,光的微粒說漸趨式微。
如果光是由粒子構成的,這些粒子穿過雙縫後,只會在光屏上形成兩條亮紋。
可實驗結果並非如此,而是得到了幹涉條紋。
這說明光是一種波,因為只有波才會發生幹涉和衍射現象。
到了20世紀初,為了解釋光電效應,愛因斯坦重拾光微粒說,並在普朗克能量子的啟發下提出了光量子,成功解釋了光電效應,並獲得了諾貝爾物理學獎。
這讓科學家們產生了疑惑,難道雙縫幹涉實驗中光所呈現岀的波動性其實是大量光子相互作用的結果?
為此,科學家們把光子一個一個的釋放出來,讓它們逐個穿過雙縫,竟然也形成了幹涉條紋。光子竟然能夠自己與自己發生幹涉,光子似乎能夠一分為二,同時穿過兩條縫隙,這真是匪夷所思。可見,單個光子也具有波動性。科學家們把雙縫實驗中的光子換成電子,也得到了幹涉條紋。
其實,光既具有粒子性又具有波動性,這種現象叫做波粒二象性。德布羅意還大膽地提出了物質波,認為一切粒子都具有波動性。
為了弄清楚幹涉實驗中光子究竟是如何通過縫隙的,科學家們裝了一個探測器,用來觀測光子究竟是從哪個縫過去的。雖然知道光子穿過了哪條縫,可神奇的一幕出現,幹涉條紋竟然消失了。如果我們不觀測,幹涉條紋又神奇的恢復了。這說明人的觀測行為竟然能夠影響實驗結果。
難道光子有意識,又或者真像科幻小說《三體》中描述的那樣,有某種未知的東西在監視我們的實驗?一些人就此認為人的意識可以左右實驗結果,從而用來佐證唯心論。
本著唯物主義的態度,對此,量子力學給出的解釋是測量會導致波函數坍塌。只要被觀察,光就會隨機坍塌為粒子態,幹涉現象也就消失了。微觀粒子並不像宏觀世界中的物體那樣具有確切的位置,而是處於一種概率分布的狀態,我們只能知道它出現在某個位置的概率,比如核外電子的分布。要想知道粒子的確切位置,就必須進行測量。
這種現象是不確定性原理和互補原理的體現。一個粒子的位置和動量不可能同時精確,這種不確定性並不是測量導致的,而是物質的內稟屬性。根據互補原理,光雖同時具有粒子性和波動性,但波動性與粒子性又是互斥的,不會在同一次測量中出現。
一隻貓被裝在一個封閉的盒子裡,然後一個衰變裝置連著毒藥瓶,衰變是隨機的,打開盒子之前這隻貓處於非生即死的疊加態,這就是薛丁格的貓。貓究竟是生是死,只有打開盒子那一瞬間才知道。這隻貓就好比雙縫幹涉實驗中的光子,在未測量光子的路徑信息前,光子同時穿過兩條縫,一經測量疊加態就會塌縮,光子的路徑也就變得唯一和確定。同理,當你打開盒子,貓的生死才會表現出來,並且結果是隨機的。為了解決這一問題,甚至還出現了平行宇宙的概念。
更讓人匪夷所思的是雙縫幹涉實驗的衍生版本——延遲選擇實驗和量子擦除實驗,在這兩個實驗中,似乎現在的行為能夠改變過去,這將導致因果律被破壞。這些現象還沒有得到完美的解釋。
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