三分鐘讀懂量子力學:揭祕雙縫干涉現象

從某種意義上來說,任何人去了解量子力學,都不需要有壓力,因為我不明白,你不明白,費曼也不明白。——Ramamurti Shankar

雙縫干涉實驗其實沒有任何特殊性,並非傳聞那樣神秘莫測。對於實驗現象,必須明確一點:大自然只做對的實驗。凡是已經發生的現象都是對的事實,詭異僅僅在於不符合人的日常經驗

三分鐘讀懂量子力學:揭秘雙縫干涉現象

量子力學之父普朗克捨棄“能量均分定理”,提出了量子假設ε=hv=ℏω,揭示了世界的離散性,標誌著量子力學的誕生,而雙縫干涉現象正是量子力學最初的密碼

雙縫干涉實驗分為兩類,第一類是關於的干涉,第二類是關於電子的干涉。

光的雙縫干涉實驗

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雙縫之間的距離bc=D,光線與不透明板的夾角為90°-θ

雙縫,顧名思義就是在一個不透明板上切開兩條細縫(縫寬D≈波長λ),然後用激光源照射不透明板,讓兩束光波發生相互干涉(想象水波干涉),當路程差是半波長的偶數倍時(Dsinθ=nλ),光波的相位相同,振幅互相疊加,形成亮條紋。最終在感光屏上形成明暗相間的條紋圖案。

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水波干涉

實驗到此為止,就是我們熟知的楊氏雙縫實驗,它證實了光的波動性。最重要的下一步在於:減弱激光源的強度,當達到一定程度時,出現了反常的現象:感光屏上的亮條紋並沒有均勻地減弱,不像水波那樣,而是亮條紋中有的部分依然很亮,而有的部分卻很暗。這暗示了光的粒子性

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光的干涉圖像

電子的雙縫干涉實驗

再來看電子的雙縫實驗,把激光源換成電子槍,感光屏換成探測屏,按照牛頓粒子的行為,經過兩條縫的電子束是不相關的,只打開一條縫,探測屏上的圖像是錐形的,那麼打開兩條縫,疊加圖像也應該是錐形的(也就是說,一條縫時,中點上是5個電子,那麼兩條縫會得到10個)。

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然而實驗圖像也是明暗相間的條紋狀(中點上是0個電子)。實驗數據表明,同光的波長關係式一致,對應的電子必須具有波長λ=h/p,因此,相差半個波長的位置才會干涉相消。改變電子槍的電勢差,增大電子的動量,則波長變短,實驗圖案同樣會被壓縮。這證明了電子的波動性

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電子的干涉圖像

電子干涉實驗最重要的下一步在於:在雙縫後面分別添加電子檢測器,以確定每個電子經過了哪個縫隙,結果乾涉的明暗條紋消失了。實驗數據表明,在1000個電子中,大約有20個電子沒有被檢測器捕捉到,而實驗圖像的錐形曲線竟然出現了2%的起伏波動

這意味著,檢測器捕捉到的電子按照牛頓力學方式疊加,沒有檢測到的電子仍然發生了干涉。這是一件令人吃驚的事情,因為在牛頓體系中是無法被想象的!

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白光的干涉圖像

綜上所述,波動性決定了光或電子的運動,告訴你最終位置的可能;粒子性決定了光或電子的作用,明確測量的具體結果,這就是量子力學最初的秘密

雙縫干涉實驗本質上就是一個自然現象,以往我們習慣於讓現象符合已有的經驗框架,而此次是建立新的經驗來符合現象。但是不得不承認,後者才是科學道路上最常用的方式。

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