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电子双缝干涉实验只是一个实验,为何让科学家感到恐怖?

量子力学,这个在现代物理学领域熠熠生辉却又充满争议的理论,或许用 “恐怖” 来形容略显夸张,但它所呈现出的种种现象,绝对足以让人感到震惊,并且彻底颠覆了人类几千年来所秉持的传统认知。

也正因如此,人们常用 “遇事不决量子力学” 来调侃其难以捉摸的诡异性。而其中,电子双缝干涉实验的过程与结果,更是让科学家们为之困惑不已,直至今日,依然没有一个能让所有人都信服的理论来对这一诡异现象进行完美诠释。

要探寻电子双缝干涉实验的诡异之处,我们不妨从光的研究说起。

在物理学的历史长河中,牛顿无疑是一位举足轻重的大佬,他对光的诸多现象都抱有浓厚的兴趣。通过著名的三棱镜实验,牛顿成功地将一束光分解成了多种颜色。基于光既能折射又能反射的特性,牛顿提出了关于光的 “粒子说”,他认为光应该是由最小的粒子组成,就如同一个个微小的玻璃球。

时光流转,到了 19 世纪,托马斯・杨进行了一个意义非凡的实验 —— 托马斯・杨干涉实验。

这个实验的设置并不复杂:让一束光穿过两条狭缝,随后投射到狭缝后面的屏幕上。按照牛顿 “粒子说” 的理论,如果光真的是由粒子构成,那么屏幕上理应呈现出两条条纹。然而,实验结果却出乎人们的意料,屏幕上显示出的是许多条条纹。

这一现象表明,光在通过狭缝后发生了干涉,从而产生了干涉条纹。

这意味着,光并非如牛顿所认为的那样仅仅是粒子,它还具有波的特性,就像水波一样,当两条水波相遇时会相互干涉,重叠后形成波峰和波谷。

托马斯・杨的实验虽然证实了光具有波的性质,但这还只是量子力学诡异之旅的开端。

随着现代物理学的不断发展,科学家们发现,光子在传播过程中并非是连续的,而是以一份一份的形式存在,这便是所谓的 “光量子”,最早由普朗克发现。

这一发现使得光的 “粒子说” 再次被科学家们提及和探讨。此时,一个疑问油然而生:既然光被认为是粒子,那它在通过狭缝时为何会发生干涉行为呢?这就好比我们用玻璃球射向狭缝,玻璃球显然不可能发生干涉。

当科学家们对 “光到底是粒子还是波” 这一问题存在争议时,他们决定用电子来进行实验。因为在科学家们的认知中,电子是实体粒子,不可能是波。于是,备受瞩目的电子双缝干涉实验登场了。当科学家们朝着双缝不断发射电子时,最初屏幕上呈现出的是杂乱无章的亮点。

然而,随着发射电子数量的逐渐增多,一个意外的发现让科学家们大为震惊:屏幕上竟然出现了干涉条纹!这只能说明,电子在通过狭缝后发生了干涉。但电子作为粒子,怎么会出现这种情况呢?科学家们陷入了深深的困惑之中。

为了进一步探究其中的奥秘,实验进行了升级。科学家们决定一个一个地发射电子,他们认为这样就不会发生干涉了。然而,实验结果再次让他们震惊不已:屏幕上依然呈现出干涉条纹!这表明,单个电子竟然能够同时穿过两条狭缝,然后与自身发生干涉。这一现象彻底颠覆了人们传统的世界观和宇宙观,让科学家们对微观世界的认知产生了巨大的冲击。

科学家们自然不会轻易接受这一难以理解的结果,他们迫切地想要知道单个电子究竟是如何同时通过两条狭缝的。于是,他们在狭缝旁边安装了探测器进行观测。

然而,更加奇怪的事情发生了:电子仿佛能够提前察觉到科学家的观测意图,变得 “乖乖地” 一个一个通过狭缝,没有发生任何干涉行为,屏幕上只呈现出两条条纹。这一现象让科学家们彻底陷入了迷茫,他们不禁发问:这到底是为什么?

面对这一难题,“哥本哈根学派” 的领军人物波尔给出了这样的解释:微观粒子的状态是不确定的,它们处于一种叠加态,其状态只能用 “波函数” 来描述。当我们不去观测时,微观粒子可能出现在任何地方,而当我们进行观测时,它们就会坍缩为确定的状态,即粒子状态。

也就是说,电子其实也具有波的特性,所以它的状态是不确定的,能够同时穿过两条狭缝并与自身发生干涉,产生干涉条纹。

然而,爱因斯坦、薛定谔等人却坚决反对波尔的观点。他们认为,在这诡异的量子力学背后,肯定存在着某种尚未被发现的 “隐变量”。他们坚信,世界是可描述、确定且可预测的,而不是像波尔所说的那样充满不确定性。

在之后的几十年里,量子力学不断发展,波尔提出的 “不确定性” 逐渐成为了物理学界的主流理论。这意味着,量子世界确实是不确定的,微观粒子时刻处于叠加状态,而观测行为会使叠加态坍缩为本征态,即确定状态。

波尔认为,量子世界的不确定性是大自然的固有属性,而观测行为则是让量子世界从不确定过渡到确定的关键因素。

按照这种理论,我们不禁会产生一个大胆的疑问:我们所生活的世界是否真实,难道完全取决于我们是否在观察吗?当我们不观察时,世界就是不真实的;而当我们观察时,世界才会变成真实的。这种观点让人细思极恐,难道我们真的生活在一个不真实的世界里吗?

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