為什麼很多人說雙縫干涉實驗恐怖?100多年過去了還無法解釋嗎?

首先,雙縫干涉實驗不是在研制什麼毀滅地球的武器,所以它沒什麼好恐怖的,只是它違反了一些常人的直覺而已,所以用「反常」可能更合適。

估計很多國中生和高中生都做過雙縫干涉實驗,就是在兩條平行的狹縫前面放一個光源,讓光源通過兩個狹縫,然后通過狹縫的光源會在兩條狹縫后面出現幾條明暗交替出現的亮光。

圖注:一束「光波」經過雙縫后變成兩個波相互干涉

這個是經典的楊氏干涉實驗,它最早是19世紀初英國物理學托馬斯楊設計制作的,目的是為了推翻超級學霸牛頓所統領的光的粒子說。

(題外話:牛頓所說的光粒子其實和現在說的粒子是不一樣的)

如果光是粒子,那麼它通過兩條狹縫時只會出現與狹縫對應的兩條亮光條紋才是,而如果光是波的話就不一樣了,它通過兩條狹縫后會變成兩個波并互相干涉(就像湖面同時出現的兩個水波一樣),從而形成實驗結果展示的那樣,出現一系列明暗相間的亮光條紋。

圖注:托馬斯楊

經典的楊氏干涉實驗讓光的「波動說」取得了階段性勝利,它很好理解,好像也沒什么反常和恐怖的。

但是這個實驗有一個「升級版本」,那就是量子力學中的單粒子雙縫干涉實驗,這個就很難理解,很反常了。

在單粒子雙縫干涉實驗中,物理學家讓電子挨個通過兩條平行的狹縫(和經典的一樣),要知道電子可不是波,它確實是「成塊」存在的一個粒子。

這里神奇的地方就出現了。

每次只有一個電子打出去,那麼這個電子不是從左邊的縫通過,就是從右邊的縫通過,如果是這樣的話結果是可預測的——電子會形成兩個平行條紋出現在投屏上,因為沒有另外一邊的粒子或波和它完成干涉。

但是,結果讓人大跌眼鏡, 單個電子和光線一樣會在經過雙縫后出現明暗交替出現的干涉條紋。

圖注:單電子雙縫實驗形成的條紋模擬

其實,這個實驗最早是在1909年,由英國物理學家杰弗里·泰勒設計并完成的,他讓光子挨個發射并通過雙縫,最終得到一張膠片,上面是明暗交替出現的干涉結果。

雖然是100多年前的實驗,但杰弗里·泰勒的實驗應該是很精致了,只是后面很多人做了電子的干涉實驗,讓結果更加「可視化」。

電子的干涉實驗,確實讓科學家們可以更容易觀測和改變實驗參數了,也正因為如此發現了更加「反常」的事。

如果人們想知道電子是如何完成干涉的,那就得知道電子是如何通過狹縫的,于是他們在兩條縫的后面放個探測器,來檢測電子從哪條狹縫通過。

這個探測器可以告訴實驗者電子每次確實只會通過一個狹縫,常識已經無法解釋它的干涉條紋是如何出現的了。

但是更奇怪的是,有了探測器之后,實驗結果和沒有探測器還不一樣,添加了探測器后干涉條紋就消失了,它變成了我們猜測的那樣——電子只會在狹縫后面形成條紋。

很神奇吧,這相當于,你不看它,它自己玩自己的時候是干涉條紋,你看它一眼,它好像能感覺到你在看它一樣展現了你想要看到的結果。

用一些研究人員的話來說,這樣的結果幾乎耗盡了所有邏輯的可能性!

電子不像水波,因為你可以觀察到它通過狹縫后只在一個位置撞擊屏幕,它也不像水滴,因為它們會自己干涉并產生一系列條紋圖案。

至于為什麼電子會表現出這種現象,爭論至今還在繼續,甚至很多人懷疑這樣的實驗本身就是假的,所以我們也就無法確定事實究竟是什麼。

但可以確定的是,電子正在做一些我們以前從未想過的,甚至連語言都無法描述的事情。

圖注:第二排最右邊那位就是玻爾

不過以玻爾、波恩、海森堡為代表哥本哈根學派試圖解釋這種現象,并把這種新的存在形式起了個名字叫做「疊加態」。

哥本哈根學派認為,電子既可以是波,也可以是粒子,它取決于「測量」,你用粒子的方式去測量它就展示粒子的形式,比如實驗中你去觀察它;你用波的形式去測量,它就展示波的形式給你,就像實驗中出現干涉條紋一樣。

而且不僅是電子,宇宙中的所有物質都是如此,從原子到大分子,再到實體物質都是一樣的——既可以展示粒子的形式也可以展示波的形式,只是物體越大,就越難看到這些干涉條紋而已。

當然,這樣的解釋很多人不認可,典型代表就是愛因斯坦,他更相信物質是客觀存在的,和你如何測量沒關系,所以他會說「上帝不會擲骰子」。

當然,我們無法理解電子的行為也很正常,因為我們的大腦是在宏觀世界中演化的,我們大腦很容易判斷扔石頭或者扔長矛等宏觀物件的運動規律,但是微觀世界超出了這個范疇。

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