当前位置:奇趣网 > 科学探索 >

电子双缝干涉实验是什么为何恐怖?背后真相揭秘

仰望星空,总是有人不禁会想:世界如此美妙,而造物主,是否正在观察着我们?相信这是大多数人的想法。的确,自从人类有意识开始,人们就在不断思索并验证着一个问题:造物主,或者神明是否正在以一种我们摸索不到的方式观察者我们。

然而苦于技术的限制,人类一直无法找到神明的存在。于是乎,这种想法一直得不到验证。

时间线到近现代,得力于技术以及理论的突飞猛进,再加上人类历史中出现的科学家巨人例如牛顿、爱因斯坦、特斯拉等人的出现,人类科技技术水平得以达到一个前所未有的高度。而这时,却突然出现了一个难题,它的出现,让一众科学家们陷入无限死循环的重复试验中,并且开始怀疑这个世界是否存在着神明,或者说是造物主。

这个实验,正是我们今天的主题:电子双缝干涉实验。

按照流程,我们先按照顺序来为各位一步一步地揭示它的出现、它的实验步骤,以及它的诡异之处!

电子双缝干涉实验是什么为何恐怖?背后真相揭秘

波动说-波尔

1913年,偶然知道氢原子可以发出光的玻尔,为了研究氢原子的光谱,他将氢的光谱用分光镜将它分开。他发现,氢发出来的光是由一些特定的波长组成的。于是,玻尔提出一种假设,叫做:氢原子的能量量子假设,叫做“氢原子量子化假设”,这也就是我们熟悉的“量子力学”学说的鼻祖。

这个假设的大致思想就是:氢原子之所以会产生这样的现象发出这种波,这是因为氢原子是由一个电子和一个原子核所组成;而电子虽然只有一个,但是却有很多种轨道,它可以从一条轨道,跃迁到另一条轨道。

如果外界从外面射入了一个光进来,电子就会向上跃迁,跑到比自己所处轨道更高能量的轨道上;而到后面,外界射入的光能量不足后,它就有可能会回到能量低的轨道上。那么其实这两个轨道之间的能量差就是光所拥有的能量。根据波尔的计算公式,处在第一处的轨道的能量是第n条轨道的n平方倍。

然而,玻尔的理论却存在着其他的问题:一:玻尔的波理论只能解释氢原子以及氦离子,而氦原子等其他外部有两个电子的情况下,波尔理论就解释不了;二:电子为什么会选择那些轨道,而不是其他轨道,或者选择轨道与轨道之前的空间,究竟这些轨道满足什么特殊的特点?

为了解决这两个问题,并将玻尔理论加以改进,一个全新的理论被提出来了,它就是波动说。

波动说-德布罗意

德布罗意,这位属于波动说理论的簇拥者,也是创造者之一的科学家,在1924年提出了物质波假说。在这个理论里,他指出:我们一直认为电子是一种粒子,是一种固态的物质,而其实电子是有波动性的。

在这一解释下,电子由以前“电子是固体的形态,以圆周运动围绕着原子核”的形象,瞬间变为“电子以波动的形状围绕着原子核做圆周运动”。实际上,德布罗意认为:电子很可能是一团波,而造成我们“电子是固体物质”思维的原因是,这团波及其稠密,以至于我们认为它就是微粒。

这团波在原子核外边运动的过程中能够形成闭环,也就是形成驻波,首尾相接,而且根据驻波计算,正好满足波理论的结果。

那么,我们是如何对这种波动性进行描述的呢?这个时候我们熟悉的“虐猫”科学家出现了,他就是奥地利的物理学家:薛定谔。

波动说-薛定谔

薛定谔的想法是:通过某些方法,将电子的波函数进行描述。于是,在进行了一年这样的实验后,1926年他得出了这种可以描述电子波动性的波函数:波的演化方程。通俗来讲就是波是如何随着时间来进行演化,这个方程就叫做薛定谔方程(如上图)。

在这个公式里,电子的行为会随着时间而变化。举个例子:

假如电子存在于一个空间中,那么我们可能会认为它会进行平面运动,只在一个平面进行运动;但是在这个公式里,电子会进行各种各样的运动,不再局限于一个平面,而是会进行螺旋的运动,而且会随着时间,螺旋会逐渐增大,而螺旋体的体积,就是电子的活动范围。

然而,即便是获得了诺贝尔奖,这个理论还是无法让人理解。最具代表性的问题就是:这个函数到底是什么意思?就相当于我们常说的:生活就像巧克力盒子,你永远不知道里面是否存在着巧克力,还是其他的东西。

为了解释这一问题,薛定谔提出一种猜想:这个波应该是属于电荷团的密度,它并不是属于一个例子,而是一种波,它是分布在盒子里面的;也可以说它并不是围绕着原子核运动做一个严格的轨道运动,而是一大团的电子波围绕着原子核,在轨道上进行不严格的轨道运动。就类似于雾一样,围绕着物体运动。

然而很快,薛定谔的这种猜想就被另一派人所否定,他们就是哥本哈根学派。

电子双缝干涉实验是什么为何恐怖?背后真相揭秘

哥本哈根学派-玻尔

以哥本哈根大学的波尔(注意是玻尔,而不是上面的波尔)为首,主要的三个人物:波尔、波恩以及海森堡构成了哥本哈根学派。

第一位人物是玻尔。他首先提出一个原理,叫做互补原理。互补原理的逻辑是:电子的波动性和粒子性是相互补充的。这从理论上认为:电子即是粒子,也是波团。

在这个理论提出的时候,人们就质疑:怎么会有这样荒谬的事情?一种物质拥有两个截然不同的属性?解释这点,玻尔解释道:这取决于人们的探测手段。

当人们尝试以粒子的性质去探测电子,如:让电子撞击到电子屏幕上,那么它就会表现出粒子性;而假如用波的性质去探测电子,如:和水波一样让电子与电子之间发生相互干涉,那么它就会表现出波的特性。

哥本哈根学派-波恩

第二位哥本哈根学术派的代表人物:波恩认为:薛定谔的演化方程是正确的,但是他的波函数不是表示电荷密度的,而是概率,叫做概率诠释。这个概率诠释,解释起来就是:粒子处于某处的概率。假如处在轨道半径比较大的区域,那么它处在此处轨道的几率就比较高。如果在某处的轨道半径为零,那么它绝对不会处在这处位置(轨道半径的说法是为了方便各位理解,实际上是指薛定谔用三维坐标图里,绘制出的电子运动图的轨道与坐标轴的距离)。

波恩认为:电子处在于哪个位置是不重要的,它只是有一定的概率存在于这些位置;而需要它的位置,则需要用粒子性的方法来探测它,才知道它究竟在哪。

哥本哈根学派-海森堡

另一位哥本哈根学术派的代表人物,则是波恩的学生:海森堡。海森堡提出了不确定性原理。

海森堡认为:我们不可能同时知道一个例子的位置,以及它现在正处于什么速度之下,这表明微观世界下的粒子行为与我们认知中的宏观物质很不相同。

而海森堡自己也坦言:假若能够确切地知道现在,那么就能够预见未来。这说明了不确定性无处不在,我们无法测量、估计粒子现在的状态。

电子双缝干涉实验与概率诠释

然而,即便有三位哥本哈根灵魂人物的解释,波动说的簇拥者依旧不认同哥本哈根学说,甚至连当时的物理界巨人:爱因斯坦也不认同。

为什么他们不认同哥本哈根学术派呢?这就是我们今天的主题了:电子双缝干涉实验。双缝干涉是波的典型特征,通俗来理解就是:具有波性的两个水波的波纹,在接触到后会相互发生干涉。

而现在的实验是用电子来进行实验,为的就是验证电子是否拥有波动性。然而实验出现了一个很有意思的现象:

实验者配置有发射器与屏幕,而屏幕与发射器之间有一个屏障,上面有两条足够让电子穿过的缝。发射电子的时候,电子会穿过缝隙,打到屏幕上。假设电子有波动性,那么屏幕上会出现干涉条纹,进而证明电子的波动性。

而针对此,波动学拥簇者提出一个观点:如若按照实验的结果来说,电子是波动性的,那么是否与电子是粒子性的观点所矛盾呢?波恩解释:我的假说中提出的概率,可以解释这一观点。

但是,波动学的人依旧怀疑波恩的理论,并提出:假若将电子的发射频率降低,每次只发射一个电子,那么肯定是不会形成干涉条纹的,因为假若形成了干涉条纹,那就说明电子同时穿越了两条缝,这是不可能的。

基于这样的想法,人们开始了新一轮的实验。但是,第一件诡异的事情发生了:电子屏幕上出现了明显的干涉条纹。波恩解释:这就是我说的,概率问题。电子打到屏幕的几率是不一样的,哪处比较暗,说明打到上面的几率低,反之则概率高。这两个实验的结果都可以用几率诠释来解释。

然而,波动学的人还是认为事实并不是这样的,于是乎,他们在中间的板子后面,加上了一个探测器,希望可以观测到电子是通过哪条缝的。

电子双缝干涉实验是什么为何恐怖?背后真相揭秘

前方高能:正在被神明观察的人类!

与上面的实验大致相同,这次的人们只是在中间的夹板后面加入了一个探测器。如果结果显示:电子同时穿越两条缝,那么就表示电子是波;如果每一个电子只通过一条缝,那就说明电子是粒子。

然而实验结果却极其诡异:当实验者不观察实验过程时,屏幕会出现干涉条纹;但是当实验者进行了观察的时候,屏幕却不会出现干涉条纹!

也就是说:当我们进行观察的时候,干涉条纹就消失了。科学家百思不得其解,只能将这种现象总结为:量子擦除。一旦我们加入观察事件,企图观察电子的走向,就会发现屏幕上的干涉条纹诡异地消失了。

一般来说,物理法则是客观存在的,并不会受到主观操作所影响,但是这次的实验直接将这个观点给无情击碎。

然而玻尔认为:这正是互补原理的体现,粒子性与波动性是互补的,我们通过粒子性去观察它的时候,那么电子就会体现出粒子性;通过波动性去观察电子的时候,电子就会体现出波动性。

但是,爱因斯坦作为物理学的巨人,他是绝对不能接受这个观点的,因为这个世界本身就是客观存在的,不可能会因为我们观察和不观察而影响到物理法则。这就好像是电子拥有了自我意识,一旦它发现人们正在观察它,它就会不产生干涉条纹一样。

观察者效应

爱因斯坦以及其他科学家都无法接受这样的事实,于是爱因斯坦说了一句著名的话:上帝不掷色子。

爱因斯坦说:我们之所以认为电子的运动存在着不确定性,是因为我们还有未发现的隐变量存在。它的存在,决定了电子运动的所有奥秘。如果人类没办法发现它,或者说它的存在我们无法探测到,那么我们就将永远通过物理法则来描述电子、甚至是微观世界下粒子的运动状况。

而为了怼哥本哈根学派的说法,薛定谔还说出了著名的理论:薛定谔的猫。他说:假如把一只猫塞到一个容器里面,这个容器里面有着致命的容器。如果人们观测到了粒子,那么猫咪就会死掉;但是假如人们不去观察这些粒子,那么猫咪就会活着。在人们观测之前,猫咪就处于一个既活又死的状态。

总结

以上实验的结果无疑给了科学家们的世界观予以一巴掌。观察者是否存在?科学家无法做出解答。但是通过这个实验,却又在隐隐约约地透露出一个事实:人类的世界,正在被观察者。它是谁?我们无从知晓。

或许说,我们目前,无从知晓。

扩展阅读:量子力学是什么,为什么说量子力学恐怖究竟有多可怕?