光是波還是粒子?量子力學如何闡釋波粒二象性

2020-12-04 外星螞蟻k

光到底是波還是粒子?這是一個曾經爭執了上百年的問題,有人認為光是波,有人認為光是粒子。到了20世紀初,這兩種理論已經完全背道越走越遠,並且都各自堅信自己的理論才是唯一正確的。究竟是波還是粒子,大家決定用一個實驗來證明,即雙縫幹涉實驗。

簡言之,就是在一塊板上開兩個距離適中的小縫,板的一邊是一個光子發射器,另一邊是一個感光屏。用光子發射器對準雙縫發射光子,如果光是由粒子組成,那當它通過雙縫後,呈現在感光屏上的一定會是是兩道槓;反之,如果光是波,那麼感光屏上就會留下如斑馬線一樣的多道條紋。根據波動理論,當波動穿過縫隙時會形成兩個波源,兩道波各自震蕩幹涉,波峰與波峰之間強度疊加,波峰與波谷之間相互抵消,最終屏幕上會出現一道道幹涉條紋。總之,兩道槓,說明光具有粒子性;多條紋,說明光具有波動性。

第一次試驗,把光子發射器對準雙縫發射,結果感光屏上出現了多道條紋。而按照之前的推論,這似乎完全證明了光是波的理論。但是還有認為光是粒子的理論,那麼進行第二次試驗,把光子發射器切換到點射模式,即每次只發射一個光子,讓光子逐一通過狹縫。如果之前的推論正確的話,當發射足夠多的光子後,感光屏上只會出現兩道槓。然而一段時間後感光屏上卻同樣出現了幹涉條紋(斑馬線)。這讓人感到費解,明明同一時間兩個縫隙只有一個有光子通過,那這個光子是在和誰進行幹涉呢?難道它是在和自己幹涉嗎?這似乎不太可能。

為了弄清這個問題,決定進行第三次實驗。此次試驗與以往不同的是在屏幕左右加裝了兩個觀測鏡頭,哪邊的看到光子就說明光子穿過了哪條縫。通過最終觀測數據發現,光子確實是從兩個縫進行單一通過。正當科學家以為一切都真相大白的時候,卻出現了詭異的一幕——感光屏上出現了明顯的兩道槓。為什麼會這樣?之前明明是多道幹涉條紋,為什麼加了觀測鏡頭條紋就由斑馬線變成兩道槓了?就好像光子知道有鏡頭在觀察它一樣,沒有觀測鏡頭的時候是波,有觀測鏡頭的時候就變成了粒子。

所有人都疑惑不解的時候,愛因斯坦提出了一個大膽的假說,即「光量子假說」。並在後來據此演化出來了波粒二象性,即光既可以表現出波的性質,也可以表現出粒子的性質。而這其中的變量取決於觀測方式的不同。到這裡,所有的問題似乎都迎刃而解,用波粒二象性都能夠解釋的通。

然而1979年,由愛因斯坦的同事約翰.惠勒所提出的「延遲選擇實驗」卻對經典物理學造成了前所未有的衝擊。為了便於理解,我們還是以雙縫幹涉實驗來講,不過這次不同的是,發射光子前屏幕前沒有觀測鏡頭。發射光子後,在光子落在感光屏之前加上觀測鏡頭,結果無論加觀測鏡頭的速度快慢,感光屏上出現的一定是兩道槓;反之,如果一開始有觀測鏡頭,哪怕在最以後一刻撤掉,感光屏上出現的一定是幹涉條紋(斑馬線)。

而這裡加或者不加觀測鏡頭均是在光子穿過縫隙之後決定的,也就是說光子的狀態在加或者撤掉觀測鏡頭之前就已經定型了,那麼為什麼實驗結果在最後一刻還會發生變化?難道加或者撤掉觀測鏡頭再次改變了已經定型的光子?也就是說現在的選擇改變了過去既定存在的事實?

這讓物理學家們感到數百年來的經典物理學體系似乎正在崩塌,這裡套用波爾的一句話,「在觀測發生前,沒有任何物理量是客觀存在的。」這樣似乎一切又都能解釋的通。

量子力學告訴我們,粒子可以同時處在不同的狀態下,這是量子力學中的態疊加原理。即光可以不同概率同時是波和粒子的狀態,而具體情況則取決於觀測方法。當正常用雙縫實驗測試時,粒子全部坍縮為波狀態,便得到了光的波動性;而架設觀測相機觀測時,波動狀態則全部坍縮為粒子狀態,便得到了廣德粒子性。這便是量子力學中的觀察者效應,即觀測了就會引起疊加態的坍縮並且得到一個確定無疑的結果。這便是量子力學的神奇之處,而在延遲選擇實驗之後物理學界更是無人不信量子力學!

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