牛頓的經(jīng)典力學(xué)曾被認(rèn)為適用于宇宙中所有物體,但后來人們發(fā)現(xiàn)微觀世界需要用量子力學(xué)去解釋,牛頓的經(jīng)典力學(xué)在這里會(huì)失效,因?yàn)槲⒂^世界的運(yùn)行法則和宏觀世界不同,人們無法理解才覺得一些現(xiàn)象詭異恐怖。
高中物理中的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是非常基礎(chǔ)性的試驗(yàn),但它背后存在著一個(gè)匪夷所思的現(xiàn)象。
如上圖,讓光源的光線先通過第一個(gè)圓孔,這樣產(chǎn)生的光源會(huì)變成相干光源(頻率相同,振動(dòng)方向相同),再讓相干光通過兩條細(xì)縫的紙板,最后用一塊屏幕承接光源,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕上出現(xiàn)了明暗相間的條紋。黃色的是亮條紋,光線疊加效果增強(qiáng),黑色的是暗條紋,光線相位相反效果抵消。
實(shí)驗(yàn)證明了光不僅是一種粒子,還具有波的特性。
當(dāng)科學(xué)家用電子槍做電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí),竟出現(xiàn)了意想不到的狀況。
當(dāng)時(shí)大家都認(rèn)為電子就是原子核外的電子,它是一粒一粒的,具有確定形態(tài)的微小粒子,但科學(xué)家用電子槍連續(xù)向雙縫的其中一條縫發(fā)射電子時(shí),后面的屏幕上也出現(xiàn)了明暗相間的條紋,這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了電子和光子一樣,具有波粒二象性,后來科學(xué)家用其它微粒做了相同的實(shí)驗(yàn),證明了質(zhì)子,中子等都具有波粒二象性。
為了弄清電子穿過雙縫時(shí)到底是粒子還是波的形態(tài),科學(xué)家就在雙縫后擺放了一臺(tái)量子觀察儀,當(dāng)電子通過左縫時(shí),儀器顯示1,;當(dāng)電子通過右縫時(shí),儀器顯示2;除此以外的狀態(tài),儀器全部都顯示為0,實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料。
當(dāng)打開量子觀察儀,對電子進(jìn)行觀察時(shí),后面屏幕上的干涉條紋消失了,屏幕上只出現(xiàn)了一個(gè)明亮的電子亮斑,儀器顯示此時(shí)電子只經(jīng)過了其中的一條縫隙;而當(dāng)關(guān)閉觀察儀時(shí),干涉條紋又出現(xiàn)了。
實(shí)驗(yàn)說明了“觀察”這個(gè)動(dòng)作能對粒子的形態(tài)產(chǎn)生影響,不觀察電子它就是波,觀察電子它就是粒子,就像能夠感知這個(gè)世界一樣,所以才有人覺得恐怖。但有物理學(xué)家認(rèn)為是觀察儀器發(fā)出的光子影響了電子運(yùn)行中的狀態(tài),使電子吸收了光的能量從而產(chǎn)生變化。
這種現(xiàn)象類似于海森堡不確定性原理,微觀世界中你無法同時(shí)知道粒子的動(dòng)量和位置,動(dòng)量越精確,位置就越不準(zhǔn);位置越準(zhǔn)確,動(dòng)量誤差就越大。電子的狀態(tài)會(huì)受到外界因素的干擾而改變,這就是微觀世界和宏觀世界的區(qū)別,從傳統(tǒng)觀念來看,也確實(shí)令人費(fèi)解。
此外,雙縫干涉實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)更高級的版本,量子延遲選擇實(shí)驗(yàn),這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果更詭異。原實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜,這里用一個(gè)相對簡單的模型來描述,就是把觀察儀放置于雙縫和屏幕之間,等電子通過雙縫后再開啟觀察儀,觀察此時(shí)電子的狀態(tài)。
當(dāng)電子槍向雙縫發(fā)射電子時(shí),這時(shí)觀察儀并沒有開啟,電子以波的形態(tài)同時(shí)通過兩條縫隙,這是已經(jīng)成為事實(shí)的事情,但當(dāng)電子通過雙縫后立刻開啟觀察儀,記錄電子的運(yùn)行軌跡時(shí),發(fā)現(xiàn)電子竟然是從其中一條縫隙通過了雙縫,也就是說觀察這個(gè)動(dòng)作,竟然可以對已經(jīng)成為事實(shí)的事情進(jìn)行改變,在宏觀世界中就相當(dāng)于:將來發(fā)生的事情改變了過去發(fā)生的事情,顛倒因果,所以很多人才覺得匪夷所思。
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