令人毛骨悚然的電子雙縫幹涉實驗

2021-01-18 存在之輕


   很少有一個物理實驗被人稱之為「毛骨悚然」,但以此來形容電子的雙縫幹涉實驗一點都不為過。為什麼呢?倒不是因為這個實驗的過程有多麼血腥,而是因為這個實驗幾乎顛覆了幾千年來人們對客觀世界的主流認識,具體而言,就是在人類認識世界的過程中,人的意識決定著客觀對象的呈現方式。

怎麼樣?嚇人吧。在經典的科學認識方法中,我們強調認識活動中主體與客體的分離,客體是獨立於主體的存在,主體的認識活動不能對客體產生任何影響。千百年來,這條原則制約和指導著人類的認識活動,並在牛頓那裡得到升華和發揚光大,確立了牢不可破的地位。

然而,隨著人們對世界認識的深入,隨著人們認識領域的不斷擴展,當人們的認識來到亞原子的層面時,人們終於發現了問題。這其中具有標誌性和裡程碑意義的一件事就是電子的雙縫幹涉實驗。

1907年,託馬斯.揚實現了光的雙縫幹涉實驗,再次引發了光的本質究竟是粒子還是波的爭論,但此時的爭論仍局限在經典物理的範疇內。1961年,蒂賓根大學的克勞斯·約恩松不知道哪根筋搭錯了突發奇想用電子來進行雙縫幹涉實驗,從而打開了量子領域的一個潘多拉盒子。

約恩松首先用電子流朝著並列的雙縫轟擊,按照設想,電子流通過雙縫後應該在後面的屏幕上留下兩條與雙縫對應的亮紋。然而,神奇的是,在屏幕上出現的並不是兩條亮紋,而是多條明暗相間的幹涉條紋。約恩松很好奇,他設想是否是因為電子在電子流中互相擁擠碰撞,進而造成了多條幹涉條紋。於是,他使用發射器將電子一個一個發出,這下就不會有碰撞了,然而神奇的是,在雙縫後面的屏幕上仍然留下了一條條明暗相間的幹涉條紋。經過爭論,人們認為電子也具有波粒二象性,事情似乎是告一段落。

然而,1974年,米蘭大學的梅裡教授又突發奇想,他對實驗結果還是不滿意,他老想看看電子到底是怎樣通過雙縫的,看看幹涉條紋到底是如何形成的。沒想到這下壞了事。他在雙縫的入口安裝了高精度的監視器,可以清晰地看清電子的出入。準備完成後,他仍然通過發射器將電子一個一個發出。結果這不看不要緊,一看,壞了。屏幕上的一條條幹涉條紋不見了,只剩下了兩條亮紋,而且通過監視器可以清晰地看到電子如粒子般一個個通過左縫或右縫,在屏幕上形成兩條亮紋。

前面說過單個電子流在屏幕上應該形成多條幹涉條紋,為什麼試圖觀察電子通過雙縫的行為時,幹涉條紋就消失了呢?梅裡也很疑惑,於是他將監控關閉,結果屏幕上又出現了神奇的幹涉條紋;再將監控打開,條紋又消失了;……如此往復。

這個實驗可怕在哪裡呢?從實驗過程看,目標是看清電子幹涉中通過雙縫的行為,但當你要看時,幹涉條紋就消失了;當你不看時,幹涉條紋就出現了。總之,電子就好像有了意識一樣,和人玩起了躲貓貓,總之,不讓你看到幹涉情況下的行為。

這個實驗在科學界引起了巨大震動。為了解釋這個實驗,人們不得不再次審視千百年來在科學研究中被摒棄的一個觀念:「意識」。在傳統的科學研究中,「意識」是不會對客體產生影響,是不應被引入到科學研究中的。然而,由於電子的雙縫幹涉實驗,「意識」不僅被引入了科學研究,而且一定程度成為實驗結果的決定因素,即實驗者的意識決定著實驗對象的呈現方式。

這才是電子的雙縫幹涉實驗真正讓人毛骨悚然的地方。按照量子力學主流的哥本哈根解釋,在雙縫幹涉實驗中,電子本身是既是粒子,又是波,即波粒二象性。當電子以波的形式通過雙縫時,處於左縫和右縫疊加的狀體,可以用波函數加以描述。當人們不對雙縫加以觀測時,電子呈現出波的特性,在屏幕上形成多條幹涉條紋,此時可以認為人的意識中已將電子認定為波;而當人們觀察雙縫時,其意識中已經默認電子是粒子,其結果是在觀測的瞬間,電子的波函數「坍縮」為一個確切的值,電子真的按照人的意識表現為粒子,幹涉條紋因而消失了,僅形成兩條亮紋,儘管此時人的目的是想得到幹涉條紋。總之,是人觀測或不觀測的行為,或者說是人將電子當作粒子或波的意識,決定著電子最終呈現為粒子還是波。

這個實驗結果是顛覆性的,千百年來科學研究的根基幾乎被摧毀。很多人接受不了,紛紛舉起反抗的大旗。其中代表人物就是愛因斯坦,他提出隱變量的假說,試圖否認意識的作用,然而就目前而言,隱變量似乎仍未找到可信的依據。還有其他人物,也提出種種假說,如平行世界等等,但都屬於邊緣性的理論。目前主流理論仍然是採信了意識的哥本哈根學派,也就是說,在量子領域,目前意識這一概念已經牢牢佔據了核心地位。

人的意識決定著電子的行為,聽起來好像天方夜譚,可這真真實實就是電子雙縫幹涉實驗帶給我們的震撼。在二十一世紀初科學界評選的令人頭皮發炸的十大實驗中,該實驗高居榜首。用「毛骨悚然」來形容該實驗一點也不為過。


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  • "雙縫幹涉"實驗,細思極恐
    「雙縫實驗」是什麼?這是因為,光在透過兩道縫時,波峰和波谷彼此產生抵消和幹涉,這體現了光的波動性。這一實驗,推翻了牛頓統治了一百多年的光的粒子說。雙縫實驗的起源這一切還要從二十世紀講起,1961年克勞斯約恩松做了一個電子雙縫實驗,讓電子有概率性的通過雙縫,屏幕上方出現了和光一樣的雙縫幹涉現象,這證明了粒子也有波動性。
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    圖8 電子雙縫衍射實驗示意圖3.1、單電子雙狹縫衍射實驗如果前面的推理正確,那麼實驗時,一次只射出一個電子,就應該不會再發生幹涉現象。可是,奇蹟發生了,在實驗中,確保一次只發射一個電子,幹涉現象仍舊出現。見前面的視頻。這怎麼解釋?單個的電子又與誰發生了幹涉?難道電子有分身術?一個電子怎麼可以同時進入兩個縫隙而發生幹涉呢?這也太困惑了!於是實驗再次升級為單電子雙狹縫延遲衍射實驗。
  • 雙縫幹涉實驗為什麼挑戰了因果律了?
    隨著技術手段的進步,人們可以用電子代替光 來進行雙縫實驗。在電子雙縫實驗中,被發射出來的電子會先通過一塊開有兩條狹縫的板,然後落在一塊感光屏上。實驗剛開始的時候,通過雙縫的電子會隨機地落在感光屏上,似乎並沒有規律。但隨著落在感光屏上的電子越來越多,一條條明暗相間的條紋就逐漸顯現了出來。在明條紋處有較多的電子落在了感光屏上,而在暗條紋處只有較少的電子落下。