双缝干涉实验很恐怖?明明中学课本上都有,到底恐怖在哪?

2023-11-20 04:38:33 字數 4544 閱讀 6879

#探秘硬核知识#有这样一个原理很简单的实验,却让无数科学家感到害怕。

从提出到现在200多年,一直有人说它是“最恐怖的实验”,也有人说它是科学中的“灵异事件”,直接挑战了很多科学家的三观。

这就是中学课本上都会学到的“双缝干涉实验”,当然,课本上并没有展示这个实验背后的“恐怖事实”,它有多“恐怖”,就是我们今天要说的内容。

光的本质到底是什么?这是过去科学家们争论不休的问题。

牛顿说光是粒子,但同时代的荷兰物理学家惠更斯则认为光是波。

毫无疑问的,有着牛顿权威的加持,光是粒子这种说法在当时更加令人信服。直到一个喜爱乐器的医生做了一个物理实验。

托马斯·杨,一个奇才。他的本职工作是一名医生,有着医学博士学位,但这只不过是他显露出的冰山一角。

他精通多种语言,仅14岁就能用10多种语言记笔记;他擅长艺术,绘画、乐器弹奏无一不通;他还热爱物理,9岁就能自己制作一些物理仪器。

在长期的乐器演奏中,托马斯·杨对声波的认识逐渐加深,而这也让他有了一个猜想,光是否和声音一样,也是一种波呢?

尽管托马斯·杨也算得上是牛顿的粉丝,但他仍然不认为牛顿的所有认知都是对的。为了证明光是一种波,他在2023年做了一个实验,也就是著名的杨氏双缝干涉实验。

实验设施很简单,一个光源、带有狭缝的挡板、再加上一个接受图像的探测屏。

实验假设是这样:如果光是粒子,那么一颗颗的微粒在通过狭缝后,探测屏上呈现出的就应该是两道完整的光柱图像。

如果光是波,那么在通过狭缝时,就会如同水波一样发生干涉,波峰之间叠加,波谷之间叠加,波峰和波谷之间抵消,最终在探测屏上呈现的是一道道明暗相间的条纹,即干涉条纹。

不用多说,实验结果已经说明了一切,明暗相间的图像告诉了所有人,光是波。

当时很多人不服这个结果,但事实就是事实,虽然不愿意承认,似乎也已经证明了光就是一种波。

然而变故出现了。

2023年,德国物理学家赫兹发现了光电效应,即光照射在金属上,电子吸收能量逸出,产生电流。

随后,爱因斯坦对此进行了进一步的解释,证明了发射电子的能量与光的强度无关。只要光的频率达到对应金属的某一临界值,就能够产生电流。这和光的波动性相矛盾,反而可以解释光的粒子性。

你说光是波,有实验证明;我说光是粒子,也能证明,谁对谁错?光到底是什么,争论再次掀起。

直到法国物理学家德布罗意做出了解释——你们说的都对。光具有波粒二象性,而且不只是光子,电子、中子、质子等以上实物粒子都具有波粒二象性。

至此,光是什么的争论才勉强告一段落。

爱因斯坦通过光电效应证明了光的粒子性。如果光是粒子,那么光束则是由一个一个的光子组成的。假设能使光子一个一个的通过狭缝,那么托马斯·杨的双缝干涉实验会变成什么样子呢?

2023年,英国物理学家杰弗里·泰勒率先做出了尝试。他将光源的亮度调到极低,以此来确保在一定时间间隔内只有一个光子被发射出来,通过漫长的时间积累,他得到了一个很诡异的结论——双缝干涉实验依然会呈现出干涉条纹!

如果是一束光通过狭缝后产生干涉条纹,那么应该是多个光子互相干涉的结果,可单个光子怎么发生干涉,它和谁发生干涉,自己和自己吗?

如果说杰弗里·泰勒的单光子双缝干涉实验的设想没问题,但受限于时代,所谓的单光子很难实现,那么用和光子同样具有波粒二象性的电子所进行的单电子双缝干涉实验,则再次证明了这一点。

2023年,第一场电子双缝干涉实验诞生,实验结果也不出所料,电子与光子的实验结果完全相同。

随着科技的不断发展,2023年,皮尔·梅利成功在实验室里发射出了单个电子,并进行了双缝干涉实验,又一次证明了单个电子确确实实发生了干涉现象。

这是一个放在现实世界很难解释的问题,单个电子在面对左右狭缝的时候,似乎并没有选择其中一个通过,而是同时通过了左右狭缝,自己和自己发生了干涉现象。

这合理吗?就如同你面前有两扇门,你要么从左边过,要么从右边过,你怎么才能从两扇门中同时通过呢?狮子如何才能同时跳过左右并排的两个火圈的呢?

这一现象不禁引发了众多科学家的思考,微观世界和现实世界的不同之处明晃晃地呈现在众人的眼里,以现实世界的思维来理解不免让人头昏脑涨。

为了观察单个光子或电子是如何同时通过两个狭缝的,理查德·费曼设想了一个实验。

同样的实验设备,同样的实验流程,唯一不同的是,这次的双缝干涉实验中需要在狭缝处安装一个探测器,并以此来观察单个光子到底是从哪条狭缝通过的。

理查德·费曼**,在有探测器时,干涉条纹会消失,探测屏上呈现出的是两道对应狭缝的光柱,而没有探测器时,探测屏上自然就会出现干涉条纹。

这是一个思想实验,在那个年代并没有任何的可行性,只能停留于科学家们的口中。可当科技不断发展,当这场实验真的在科学家们的手中复刻出来后,结果与过去的**竟惊人的一致。

这不免让人觉得细思极恐,实验中是否探测光子的路径居然会呈现出两种结果。如果将这种现象代入到现实世界,毫无疑问会让人觉得背后一凉。

趣味一点的说法是几乎每个人都有过的童年经历。父母出门,原形毕露,电视、手机、电脑热得发烫;开门声响起,父母到家,书本、作业,我爱学习。

诡异一点的说法,则是恐怖**中百看不厌的桥段——镜子里的你。当你的目光锁定镜子,镜子里的你就会和你做出同样的动作,而当你的目光偏转看向别处,镜子里的你就会表现出不一样的动作。

脑洞大一些的人则会不由自出的想到一个问题,无论是趣味性的说法还是诡异的说法,其中有一点是共同的,那就是他们都有着自己的思想。那么,光子有自己的思想吗?

光子是否知道实验者在这次实验中通过探测器来观察它,所以老老实实地选择一个狭缝通过?而当实验者没有观察它的时候,它就会“放飞自我”,自己和自己干涉呢?

后续随着科学家对量子力学的领域不断研究,双缝干涉实验也有了更多的各种各样的变种,其中的延迟选择实验,如果代入到现实世界,更是有种“挑战因果律”的“逆天感”。

整场实验的原理颇为复杂,至于它究竟是如何“挑战因果律”的,我们简单的通过双缝干涉实验类比一下你就能感受得到。

在双缝干涉实验中,光通过狭缝时基于是否存在一个所谓的“观察者”,有着两种不同的选择:存在“观察者”,光表现出粒子性,左右选其一通过;反之,则是波动性,光同时通过两个狭缝并发生干涉。

类比延迟选择实验,则相当于,没有观察者,确定光本应该表现出波动性后,我们在探测屏处进行探测,结果光却表现出了粒子性。

就如同光提前知道我们会进行探测,所以直接表现出了粒子性一样。

除了延迟选择实验外,还有着量子擦除实验等令人“细思极恐”的实验。

当然,关于这种种“诡异”的实验,无数科学家也为此做出了各种解释,直到今日也有着不同的说法。

最经典的就是哥本哈根诠释,除了发射和抵达探测屏的这两个时间外,光子的位置是不能确定的,而一旦我们去探测它,光子的量子态也就会发生改变。

双缝干涉实验及其变种的种种所谓的“诡异”之处,或许只不过是我们以微观世界的实验现象代入了现实世界,所以出现了“不合常理”、“三观尽碎”的感觉。这也许就是量子力学的魅力之处,从另一个视角看世界,世界就会大有不同。就像网络上大家的戏言一样,“遇事不决,量子力学”。科学的世界浩瀚无际,说不准如今的人类仍旧是盲人摸象不得全貌,永远保持着好奇求知,我们才能不断地前行。

解读双缝干涉实验中的人生启示

双缝干涉实验是物理学中的一个经典实验,它展示了光的波粒二象性,对人们理解光的性质产生了深远影响。作为物理学家,我想借这个实验的科学内涵,引申 它给我们的人生思考带来的启示。首先,让我们回顾一下这个实验的基本过程。实验中,相干光经过双缝后在观测屏上形成光暗相间的干涉条纹。这证明了光具有波动性。当减弱光...

为什么当年双缝干涉延迟实验让科学家感到恐怖?

如果要结论,那就是 现在的选择可以改变过去 当下的选择能够决定历史。这个推理过程,有些烧脑。但这毕竟是几十年前或上百年前的理论。所以,现代人理解起来应该没啥问题。如果还是理解不了,那只能说小编讲得不够清晰。必须要理解的一个问题是 光是一种波,还是一种粒子?杨氏双缝实验,证明光就是一种波先是,麦克斯韦...

双缝干涉实验背后的故事到底有多离奇?

你以为你看到的世界是完全真实的吗?一定要认真听我讲完这个 很有可能改变你的命运。故事还要从世纪讲起,当时物理学家们开始纠结一个问题,光到底是波还是粒子?光的性质之谜 光是一种奇妙的现象,既可以表现出波的性质,也可以表现出粒子的性质。这一困惑的问题激发了物理学家们的好奇心,他们决定通过实验来揭示光的本...