量子力学中最著名的实验我想莫过于双缝实验。
实验的设置很简单:把粒子(通常是电子或光子)打向一面有双缝的屏幕,在双缝后面还有个探测屏幕。
这个实验之所以出名是因为它描述了上面我们提到的许多奇怪现象。
我们首先在水中进行双缝实验。
很简单,你只要用手指在水中滑动就可以制造出波。
这些波通过双缝的时候会相互干涉,形成显著的干涉条纹。
这是波的行为。
现在,把实验从水中挪出,用*射向双缝。
你在屏幕后看到的是两条并排堆积而成的*,而不是干涉图案。
这是粒子的行为。
精彩的来了,如果你把电子射向双缝,会发生什么?
如果你预期电子是粒子,那么你在探测屏幕看到的情形就跟*的一样。但事实呢?
著名的双缝实验。中间的探测屏幕代表粒子是经典时的行为,
但事实上粒子是量子的,
我们看到电子会在探测屏幕产生干涉图案,
就好像每个电子都同时通过双缝一样,
并且相互干涉。这似乎暗示着电子是波。
由于电子是量子物体,我们无法知道它的位置(海森堡不确定性原理)。
电子有一定的概率会通过其中一条狭缝,有一定的概率会通过另一条。
由于通过两条缝的概率是一样的,
它事实上同时通过两条狭缝(叠加态)。
电子的行为又像粒子又像波,
这种所谓的波粒二象性简直让人抓狂,但又让人着迷。
现在你可能会开始思考,
难道我们不可以想方设法知道电子是通过哪条狭缝吗?
双缝实验。
A:不观测电子通过哪条狭缝的情况下,会在探测屏上形成干涉条纹。
一旦进行观测,干涉条纹就会消失。
当然可以,我们可以在某处放一个光源,监测电子是从哪条狭缝通过。
但是,一旦这么做,我们会发现原先的干涉图案就立马消失了!
也就是说,一旦进行观测,波函数就“坍缩”了。
由于你知道了电子通过哪条缝,
它就不再处于叠加态,所以它只通过了其中一条。
电子的波的行为就消失了,它表现就如同*般。
如果你现在感受脑子不好使了,这很正常,
因为物理学家也绞尽脑汁的想要解释这看起来显而易见的悖论。