科学探索之双缝干涉实验中幽灵般的粒子

要想看看量子论的诡异之处,最经典的莫过于电子或者光子的双缝干涉实验了,由托马斯·杨设计的这个实验,本意在检验光的波动性,却没想到成为了科学史上最经典的物理实验之一,将科学史上关于光的本质研究的波动-粒子之战推向了高潮。

为简单起见,我们只讨论电子的双缝干涉实验。具体的实验环境可能不是图中那样简单,但这无妨对其原理的探讨。

当人们将一束电子经过双缝打到显示屏上时,人们在想:一堆小球打过去,就像我们踢足球一样,在墙上会形成两道条纹吧。可是,实验结果却显示,形成的是像光波一样的干涉条纹!

这是怎么回事呢?我们打过去的不是一堆小球吗?为什么会像波一样发生干涉呢?

这时,人们猜想,会不会是大量电子互相作用才造成这样的呢?它们你挤我,我挤你的,确实有可能造成干扰,虽然不一定形成干涉条纹,但还是应该把这种可能性排除掉。于是,人们改进了实验装置,这次,他们一个个地发射电子,看看电子们到底干了些什么奇怪的事情。

实验持续了一段时间。当越来越多的电子被打过去时,人们才真正发现电子干涉条纹是怎么形成的了。原来,当一个电子被打过去时,屏幕上只出现一个亮点,更多的电子过去,就有更多的亮点出现。初看起来,这些点杂乱无章,而随着时间的推移,人们才逐渐发现:大量的电子形成的大量的点逐步组成了干涉条纹!原来是这样!电子们好像遵循着一种默契,共同完成了这项艰巨的任务!怎么会这样?

一个电子是如何“知道”它应该出现在什么地方的呢?它是自己和自己发生了干涉吗?在自我干涉后,它又是如何变为了一个小点呢?在通过双缝的运动规程中,它到底通过了哪条缝呢?

这些问题不断困扰着人们。于是,聪明的科学家们想出了一个办法,他们要窥探电子的动向,他们在两个缝都安装了检测仪器,人们要看看电子到底从哪条缝通过了。我们要监视它,来看看它在中间这段路程上偷偷干了些什么事情。

然而,量子世界的奇异却超出人们的想象,当人们去监测它到底通过了哪条缝时,电子倒是确实老老实实地从某一个缝过去了。可是,这同时,干涉条纹也消失了!屏幕上出现的是两条经典亮条纹!电子就好像是提前知道了我们的意图,估计和我们作对,难道电子是一种有意识的存在?

人们被这样的实验结果迷惑不已。如何理解这样的现象呢?

量子论的奠基人之一波恩对此作出了解释:电子和光一样,是具有波粒二象性的,实际上所有的微观粒子都是如此。根据薛定谔的波动方程,波恩创造了著名的概率解释:当我们不去观测的时候,电子就是一团波,它无处不在,又无处可在,量子论称这波为概率波,也就是说,它有一定的概率出现在什么地方。在通过双缝时,这概率波进行了自我干涉,以决定电子有可能在显示屏上打到什么位置。然后,当电子到达显示屏,我们要对它进行观测时,电子就必须现形了,它必须出现在一个位置!于是,它按照那个概率分布,在某个位置化作了一个亮点,出现在我们眼前。虽然一个电子的出现是随机的,但大量电子却是符合概率分布的,于是,当大量电子出现的时候,便形成了干涉条纹。这就像扔一万次硬币基本是五千次朝上五千次朝下一样,扔得越多,越趋向于1:1的概率。量子论称由概率分布到一个点的这个过程为“坍缩”,而一次观测行为将导致坍缩。

这是不是太奇怪了?微观世界为什么和我们的日常经验格格不入?

当我们不观察时,它处于一种叠加态,它无处不在。当我们观察时,它就出现在了概率分布的某一个位置。量子的叠加态正是这奇怪的根源!我们从未见过一个宏观物体处于叠加态之中。一个人可能既在北京又在上海吗?不可能,人没有分身术。可是,一个粒子就可以,理论上来说,它确实有一定几率既在你眼前,又远在天边。

这样的解释让人们产生了很多质疑,也因此,量子论从诞生之日起就饱受争议,被不断地攻击。就连量子的创始人普朗克、薛定谔、爱因斯坦这样伟大的科学家,也试图找出它的漏洞,以从根本上将量子论颠覆掉。然而,一个个精确的实验,却一次次击碎了人们的梦想。量子论逐渐成为了一个工具,人们觉得,好用就行了,干吗非要理解它呢?就像鸵鸟一样,将头埋在沙里,不去看它吧。

然而,追寻真理的人们却总不甘心,一直试图找寻其背后的内涵。叠加、坍缩、意识、幽灵般的超距作用,种种怪象困惑着我们,但也令我们兴奋不已,让我们思考宇宙的终极奥秘。多宇宙、隐变量、多历史、自发定域,种种解释也没能彻底推翻量子论,从实验和原理角度将其证伪。或者,难道我们眼前的一切都是幻想,如黑客帝国般,是人工智能或高级文明制造的虚拟世界?从理论上来说,也不是没有这个可能。

双缝干涉实验引领人们发现了宇宙深藏的奥秘,而背后的哲学思考仍令我们迷惑不已,希望未来能够有人解决这个难题。

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