如何解釋單電子自相干實驗?

曲昭偉


在雙縫干涉試險中,如果讓電子一個一個發射,當然,每個電子只會出現在雙縫後的屏幕上的一個點上,但只要電子的數量足夠多,屏幕上就會出現只有波才會有的干涉條紋。這個現象已經被實驗所證實。

哥本哈根學派認為,單個電子具有分身術,它同時穿過了兩個縫,從而自己與自己發生了干涉。嚴格來說,這沒有說清哥派的原意。更準確的說法是,電子在沒有到達屏幕前,由波函數描述,電子同時處於波函數所涉及到的所有位置上,當然,如果你觀測一下電子的具體位置,波函數就會坍縮,電子就收縮到一個具體的位置上,不再分身各處。由波函數,可以求出在任一位置上發現一個完整電子的概率。在電子沒有到達屏幕被觀察前,電子就是一個由波函數所描述的波,單個電子的波在通過雙縫時,自己同自己的波發生了干涉,干涉後的波到達屏幕被觀察,坍縮為一個點。電子在屏幕任一位置上坍縮成點的概率,由干涉後的波的波函數描述,多個電子坍縮成點,就出現了干涉條紋。

如果承認電子具有分身術,能平攤開來,形成波,在屏幕上觀察電子時,電子又收縮為一個點,在任一點上發現電子的概率由波函數求出,則哥派的解釋就是完全合情合理的。但電子能平攤成波,這一點確實令人不可思議。哥派的人說,沒辦法,量子就是這麼不可思議。我也認為,不可思議不能作為一個觀點不能成立的理由。究竟電子能不能平攤成波,應該以實驗結果為準。但是,對不起,電子究竟能不能平攤成波,無法觀測驗證,一旦觀測,波就會坍縮為一個點,變成一個完整的電子,不再是波了。

說了半天,原來說的這一切不能觀測驗證。這與騙人的胡說有什麼區別?

目前的當務之急是給波函數找到一個可以觀測驗證的解釋。

我認為,物理學家們應該重新撿回德布羅意關於波函數的導航波解釋。該解釋認為,波函數描寫的波,是一個真實存在的波,叫做導航波,它存在於微觀粒子周圍,並指引著微觀粒子的運動。在粒子通過雙縫時,導航波自己與自己發生了干涉,形成帶干涉條紋的波,這個帶干涉條紋的波指引粒子到達屏幕,形成一個亮點,但多個粒子的亮點就會形成干涉條紋圖案。

導航波的真實存在,能觀測驗證嗎?回想一下我們是怎麼驗證電磁波的存在的。我們在接收天線的電路中,測量到了由電磁波所產生的電流波動,所以認定電磁波的真實存在。導航波與微觀粒子之間存在著明確確定的聯繫(德布羅意那兩個著名的關係式),通過對粒子本身的物理量的測量,通過這兩個關係式,就能確定導航波的頻率等波動的物理量,也就等於測量出了導航波的存在。就像我們通過對電流變化情況的測量,確認出電磁波存在一樣。

導航波如果真實存在,它自身具有質量能量嗎?粒子的質量能量已經集中在了粒子身上(愛因斯坦對光電效應的解釋)。難道只有具有質量能量才能客觀存在嗎?光子就沒有靜止質量。質量,即慣性。質量能量,只是客觀存在物所具有的一類屬性,沒有這類屬性,不等於這個客觀存在物就不存在,沒有這部分屬性,不等於就沒有其它屬性,顯然,導航波就具有波長、頻率等波動方面的屬性。

沒有質量能量的客觀存在物,是不是很神秘?與有質量能量的存在物之間存在著明確確定的關係(德布羅意的那兩個關係),自身的演化遵守明確確定的方程(薛定諤方程),通過對有質量能量的粒子狀態的測量,就可確定它的存在,以及它的演化,請問,有什麼神秘之處?


董加耕


至少以現階段的認知,還無法卻確切解釋。就像電子延遲實驗一樣,在我們沒有對電子進行觀測之前,我們無法知道電子到達接收器中間它們是如何運動的。只有我們觀測它們的時候,它們才會最終確定一個固定的路徑。

在沒有觀測之前,說電子的運動路徑沒有意義



所以,科學家提出宇宙之所如此模樣,正是我們觀測的結果。即我們的意識參與了宇宙的形成,如果沒有我們的觀察,宇宙將是一片混沌,處於不確定狀態。只有我們感測時,宇宙各個物質的概率函數才會瞬間坍塌,變成固定模樣。就像薛定諤的貓一樣,在你沒有觀察結果之前,你說貓是死是活沒有意義。它即使死也是活,是一個疊加態,只有你觀測的時候,這個疊加態才會變成單一態。



同樣,單電子干涉實驗也一樣,你沒觀察之前,並不知道它是如何運行的,是同時通過兩個雙縫,還是它本來就處於干涉疊加態,我們無從得知。因為我們平常得到的電子,質子等基本粒子,也是我們經過觀測得到的它們性質,這個時候,它們的狀態或許就是坍塌後的狀態,而對於沒有觀測前,它們的狀態,我們一無所知。所以,要想搞清楚單電子自旋相干問題,科學家還有很多路要走。



另外,我相信各類自媒體上也沒有一個真正權威的物理理論學家。真的大師級科學家,對量子物理完全瞭然於胸的科學大牛,哪有時間在這裡浪費時間。所以,即便網絡上所謂的科學科普民科們爭破頭,也未必能得出一個完全可靠的理論和解釋。唯有那些真正奮戰在實驗一線的大科學家,才有資格有所突破。


PhD肖


我來談談單電子雙縫干涉:

量子力學自身矛盾重重,不可能有哪個實驗證實它,它對實驗的解釋都是很荒唐的。荒唐本身就是證偽,即它不能科學解釋實驗現象。舉個例子,單電子雙縫干涉實驗:如果整個實驗過程中只發射一個電子,單個電子只有一個落點,是不可能產生干涉條紋的,干涉條紋一定是實驗過程中先後發射的電子共同產生的。單個電子只能通過一個狹縫,但它通過其中一個狹縫時,不可能因為另一個狹縫是否被觀測而選擇落點。那麼為什麼觀測和不觀測不一樣呢?當你不觀測時,每次發射的電子,或經過左邊狹縫,或經過右邊狹縫,不同時刻通過兩個狹縫的電子落點疊加,出現了干涉條紋。當你觀測其中一個狹縫時,本來通過該狹縫的電子因受到觀測設備的影響,無法落在原來的落點,干涉條紋消失了。如果不相信,你可以先擋上左邊狹縫,進行實驗並把電子落點記錄下來,它和一條縫被觀測的結果是一樣的。然後再換成擋上右邊狹縫進行實驗並把電子落點記錄下來,把兩次實驗結果相加,它和不觀測時的雙縫干涉是一樣的。這表明,不同時刻通過兩個縫的電子產生了干涉。根據波粒二象性,是不同時刻的兩個波產生了干涉。這個世界上,什麼波能夠不同時刻到達同一點即不曾相遇而產生干涉呢?只有本人提出的概率密度分佈隨時間的變化即概率密度波。

由此可見,單電子雙縫干涉,是不同時刻通過兩個狹縫的電子產生了干涉,不是什麼單電子自相干!

綜上所述:

1.觀測一個縫和擋上一個縫,實驗結果是一樣的。

2.把觀測設備後撤到干涉條紋接收平面及其以後,實驗結果和雙縫干涉是一樣的。

3.今天擋上(或觀測)一個縫,做實驗。明天擋上(或觀測)另一個縫,再做實驗,兩次相加的結果和雙縫干涉是一樣的。

需要強調指出,今天的電子和明天的電子產生干涉是實驗事實,不存在荒謬的問題。哥本哈根對這個現象的解釋或是荒謬或是解釋不了,而我給出了科學解釋。

如果你能夠給出一個物體的初始條件以及運動過程中的受力情況,你就能確定它在任意時刻的位置。當你無法給出那些條件的時候, 你就沒法給出它的確切位置,只能給出它出現在各個位置的概率。Q(x,t)就是t時刻各點的概率密度。隨著時間t的變化,各點的概率密度分佈會隨之變化,這就是概率密度波即概率波。這就是全世界找了一個世紀,至今也沒有找到,卻在到處胡亂詮釋的波函數。

下圖是兩次單縫實驗的結果的疊加。



曲昭偉


我的理解是,干涉也好,衍射也好,都說明了光的波動性。因為很多晶體結構,它的大小非常小。用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡都很難看到,當然現在可以了,但是一臺儀器幾千萬,我們學校有,一個小時1500。所以發展一種利用衍射的測試方法,是非常好的。那就是X射線衍射,晶體結構充當狹縫之一,還有儀器結構上有一個狹縫。就形成雙縫衍射。最後的圖不知道有沒有利用傅里葉變換。最後得到的是衍射峰。還有的可以轉換為二維圖的衍射環。然後利用布拉格方程計算晶面間距,結合透射電子顯微鏡可以算出是哪個晶面。

——答案參考自中大博士生餘橋溪


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