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電子雙縫干涉實驗到底講述了什麼,為什麼讓科學家感到恐怖?
2023/03/29

電子雙縫干涉實驗,或許是人類歷史上最詭異最匪夷所思的實驗,它就像晴空萬里的天空飄著的一朵烏云那樣,始終籠罩太陽發出的光明,讓物理學家們甚至煩惱。

那麼,電子雙縫干涉實驗到底是一個怎樣的實驗呢?為什麼讓科學家們感到恐怖呢?

說白了,這個實驗就是經典物理學與量子力學之間的較量。經典物理,是三百多年前牛頓建立的基礎理論,以萬有引力和力學三大定律為基礎。描述的是我們非常熟悉的巨觀世界運行規律,告訴我們萬事萬物都是可確定的,可描述的,也具有因果關系。

愛因斯坦創建的相對論也屬于經典物理學范疇,只是相對論描述的是高速運動狀態下的巨觀世界而已,屬于牛頓力學在高速世界的拓展。

不管是牛頓力學還是相對論,都告訴我們宇宙中一定存在客觀的規律,只要我們發現它,就能了解描述世界上的一切自然現象,這種觀點也被稱為「決定論」。

決定論非常符合我們的日常生活經驗和感知,大部分物理學家都對決定論深信不疑。舉個例子,我打你一拳,你會感覺到疼,這就是決定論最簡單的描述。如果說你先感覺到疼,然后我才打你一拳,沒有人會相信這樣的過程,因為它違背的因果關系。

但是量子力學的橫空出世徹底打破了經典物理學的「決定論」,尤其是電子雙縫干涉實驗,更是讓物理學家們摸不著頭腦,甚至開始懷疑世界的真假。

實驗過程其實很簡單。一個電子發射裝置,一塊有兩條狹縫的擋板,一塊接受電子的屏幕。

在人們的固有思維里,電子是實實在在的粒子,就像玻璃球那樣。 所以當我們用電子發射裝置不斷朝向狹縫發射電子時,屏幕上應該會出現兩條條紋才對。

但實驗結果讓物理學家們大吃一驚,屏幕上竟然出現了多條干涉條紋。這說明電子表現出了波的特性,電子在穿過兩條狹縫后發生了干涉現象。

緊接著物理學家們又改進了實驗,這次不再一下子發射大量電子,而是一個一個發射。物理學家們認為這樣就肯定不會出現干涉條紋了。

但結果同樣大大出乎了他們的意料,干涉條紋再次出現。物理學家們徹底驚呆了!這說明了什麼?

說明單個電子同時穿過了兩條狹縫,然后自己與自己發生了干涉,只有這樣屏幕上才會出現多條干涉條紋!

這怎麼可能?一個電子怎麼可能同時穿過兩條狹縫?物理學家們簡直要懷疑人生了!

不過這還不算啥,更恐怖的還在后頭。

物理學家們想知道單個電子到底是如何同時穿過兩條狹縫的,于是他們在擋板附近安裝了探測器。

結果電子就好像猜出了物理學家們的心思一樣,并沒有同時穿過兩條狹縫,乖乖地從其中一條狹縫中穿過去,干涉條紋也神奇消失了。

物理學家們徹底「瘋癲」了,人們的觀測行為竟然會影響電子的選擇!

不過事情遠沒有結束。

物理學家們想到用探測器觀測電子,可能會影響到電子的狀態,于是他們決定在電子穿過狹縫之后再進行觀測,這樣就不會影響到電子穿越狹縫的行為了。這也是改進后的量子擦除實驗。

但奇怪的事情同樣再次上演,只要一觀測,干涉條紋就消失。不觀測,干涉條紋就會再現!

物理學家們徹底瘋掉了!因為量子擦除實驗意味著統治我們巨觀世界的因果律徹底被顛覆了,在量子世界很可能根本就不存在因果關系,一切都是不確定的,結果可能會影響原因。

對于電子雙縫干涉實驗的詭異現象,物理學界有很多種解釋,其中以波爾為首的「哥本哈根學派」的詮釋最受關注,也是當今科學家的主流詮釋。

哥本哈根學派認為,不僅僅是光子,微觀世界里的任何微觀粒子都具有波粒二象性,比如說電子,質子,中子等。

哥本哈根學派的另一個代表人物玻恩更是提出了機率波解釋,詮釋了薛定諤方程中波函數的意義,也因此獲得了諾貝爾物理學獎。

機率波詮釋認為,我們只能知道微觀粒子在某個位置出現的機率,無論如何都不可能確定微觀粒子的具體位置。 要想確定,只有通過觀測,而觀測也只是讓微觀粒子的波函數「坍縮」了,隨機坍縮為某個具體的位置。

這種機率波和不確定性詮釋讓愛因斯坦和薛定諤等「決定論」支持者無法接受,他們不相信世界的本質是機率,愛因斯坦堅持認為「上帝不會擲骰子」,認為量子世界詭異現象的背后一定隱藏著沒有被發現的「隱變量」,一旦發現了「隱變量」,就能準確描述量子世界的詭異行為。

但目前來看,愛因斯坦真的錯了,「哥本哈根詮釋」是目前物理學界關于量子世界的主流理論。

不過至今也沒有誰能解釋量子世界「不確定性」背后的「底層邏輯」,這也是為什麼物理學界大佬費曼會感嘆:沒有誰真的理解量子力學!

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