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深度长文:解读电子双缝干涉实验,电子为何“既是粒子又是波”?

作者:宇宙怪谈

电子双缝干涉实验,堪称人类物理学史上最伟大的实验之一,也是让物理学家们最头疼的实验,实验过程和结果如此诡异,以至于让物理学家们开始怀疑世界的真实客观性。

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实验过程就不再详述了,想必大家都有所了解,这里划重点来讲述。实验的核心就在于“观察者效应”。

什么是“观察者效应”呢?具体来讲就是,当我们不观测时,电子会以波的形式穿过两条狭缝,而当我们观测时,电子就会以粒子的形式穿过狭缝。

也就是说,观测与否会影响到电子呈现的状态:不观测时,电子表现出模糊的波动状态,而观测时,电子表现出确定的粒子状态。

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往深了讲,世界到底呈现何种模样,取决于我们是否观测。显然这大大违背了我们的固有认知:世界是客观存在的。无论我们观测与否,世界就是本来那个样子。

就像爱因斯坦曾经提出这样的质疑:当我们不看月亮时,难道月亮就不在那里吗?

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很显然,电子双缝干涉实验完全颠覆了人类的固有认知,但这仅仅只是开始,在之后物理学家们对实验进行不断改良过程中的发现,才真正颠覆了人们的三观。

第一次改良:物理学家们想看看电子到底是如何同时穿过两条狭缝的,于是在狭缝旁边安装了探测器进行观测。这里有必要强调一下,并不是我们日常生活中经常看到的监控探测器,而是一个通电线圈,大家知道就可以了,总之物理学家们有的是办法获取电子的路径信息。

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但是不看不要紧,看了之后物理学家们 更是一头雾水:他们并没有看到电子同时穿过两条狭缝,而是乖乖地穿过其中一条狭缝,而电子接收屏上的干涉条纹也随之消失了。这意味着在物理学家们观测电子时,电子不再表现为波动性,而是粒子性。

很显然,物理学家们的观测行为改变了电子的状态。物理学术语来讲就是,观测导致电子的“波函数坍缩”,从波动状态坍缩为粒子状态。

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电子就好像拥有意识一样,好像早就知道物理学家们准备干什么,并随时做出一定的反应来应对物理学家们的观测。

第二次改良:物理学家们不再直接观测电子是如何通过两条狭缝的,担心这样真的会影响电子的状态,而是等到电子穿过两条狭缝后,再进行观测。这就是延迟实验

但是,电子仍旧表现出了粒子状态,原来明暗相间的干涉条纹仍旧消失不见了。

物理学家们开始怀疑人生了:明明电子已经穿过狭缝了,按理说该是什么状态就是什么状态,人们不可能再去改变电子穿越狭缝的行为,为什么原来的干涉条纹也会消失呢?

物理学家们不甘心接受如此“丧心病狂”的结果,他们都是极具智慧的群体,于是又对实验进行了改良,这次改良彻底改变了观测行为对粒子的影响。

第三次改良:物理学家们怀疑前两次实验或许观测行为多多少少都会影响到电子,那么有没有什么方法在观测的同时,不会影响到电子的状态呢?

物理学家们还真的想出了一个办法:利用诡异的量子纠缠原理。具体怎么操作的呢?

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过程有些复杂,这里就以通俗的方式来长话短说。一对纠缠中的电子经过处理后,分别朝着两个不同的方向飞行,方便起见,把两个电子分别命名为甲和乙。

甲和乙运动一定距离后到达接收电子的屏幕,不过两个电子运动的距离并不一样,甲运动的距离短,而乙运动的距离稍长。

如此一来,甲就会率先到达接受屏幕,在屏幕上形成干涉条纹,当然需要多个电子才可以。而乙到达屏幕的时间会晚一些。

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物理学家们是这样操作的,在甲到达接收屏幕形成干涉条纹之后,而乙还没有到达屏幕之前,对电子乙进行观测,他们发现电子甲原本已经形成的干涉条纹竟然也会神奇消失!

这太不可思议了,你知道这意味着什么吗?

意味着物理学家们改变了原本已经发生的事情,因果律就这样被打破了!

同时,物理学家们并没有直接观测电子甲,只是观测了与甲相互纠缠的电子乙,但即便这样,也会影响电子甲的行为。

而且在物理学家们不再观测电子乙时,电子甲原来的干涉条纹又重现了。

这次改良实验就是传说中的“量子擦除实验”,完全颠覆了人们固有印象里的因果律,未来竟然可以影响过去!

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面对这样的结果,物理学家们真的不知所措了,他们开始怀疑现实是否真的客观存在,因果律是否在任何时候都成立?这个世界的存在难道真的是因为我们的观测行为吗?

看到了吧,这就是让所有人都疯狂的电子双缝干涉实验!

但疯狂归疯狂,物理学家们必须给出相应的解释,不管解释本身能不能让人信服,总得有解释吧。

当然,对于如此疯狂的实验,科学界有很多种解释,不过比较正统的解释还是哥本哈根诠释,被主流物理学界所接受。

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哥本哈根诠释的核心就是不确定性,或者说“叠加态”,任何微观粒子都具有不确定性,都处于不同的叠加态,而这种不确定性和叠加态才是量子世界的本质。

什么意思呢?

通俗来讲就是微观粒子都具有“波粒二象性”,既可以表现出粒子特性,也可以表现出波动性,具体表现出什么特性取决于我们是否观测,观测了就是粒子性,不观测就表现为波动性。

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但其实“波粒二象性”的解释更多的是物理学家们的无奈之举,或者说中庸之道,说点不好听的就是“人类很无知”,我们并不知道微观粒子为什么具有“波粒二象性”,只是根据微观粒子的具体表现结果来倒推出“波粒二象性”的结论。

也可以这样通俗理解,光子,电子等微观粒子本质上就是波,而不是粒子,理论上它们无处不在,甚至可以随机出现在宇宙中的每个角落。而当我们进行观测时,光子和电子等微观粒子只是恰好出现在了我们观测的地方,让我们感觉到微观粒子就在那里,让我们看到微观粒子的粒子特性而不是波动性,而这,就是“波函数坍缩”。

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由于波这种东西就是无处不在,所以,无论我们看向哪里,都会看到波出现在我们观测的地方!但为什么本来是波的微观粒子为什么会因为我们的观测,瞬间就坍缩为粒子呢?

这种“波函数坍缩”的解释其实也是“马后炮”,正如“波粒二象性”一样。其实物理学家们并不知道为什么会出现“波函数坍缩”,只是根据观察结果推导出了“波函数坍缩”这样的结论,去解释微观粒子的诡异行为。

说白了,所谓的“波函数坍缩”也只是假设,当然也可以认为是公理,公理的东西就无需解释,就是那样的。就像“两点之间线段最短”这个公理一样,这个公理就不需要解释,因为人们观察到的结果就是那样的。

结论

其实物理学家们早就确定量子世界里的诡异现象真的存在,比如说不确定性,叠加态,量子纠缠,量子隧穿效应等,并且早就利用这些诡异特性为人们所用,比如说,晶体管,超导材料,量子通信,量子计算机,激光,电子显微镜等产品都含有量子科技。

深度长文:解读电子双缝干涉实验,电子为何“既是粒子又是波”?

虽然物理学家们并不知道量子世界诡异现象的底层逻辑到底是什么,但确实知道那些诡异现象真的存在,并能够利用那些诡异现象为人类所用。

同时,物理学家们也并没有放弃寻找量子世界诡异现象的“底层逻辑”,因为他们坚信,那里一定隐藏着更深层的宇宙奥秘!

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