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光引领科学前行,双缝干涉实验催生了量子力学,世界为之改变

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  有人不断的在网上嚷嚷,双缝干涉实验的结果让科学家感到恐怖。这种说法实在有些夸张和故弄玄虚,双缝实验反映出来的现象,实际上涉及了量子力学里面最基本的问题,成为量子力学立论之本。量子力学的许多重要理论都是由这个实验引发出来的,如不确定性原理、量子纠缠、平行宇宙、薛定谔的猫、波函数坍塌等等。

  但这一切都源于科学家们几百年来孜孜以求探索“光”的奥秘,从而引领人们看到了一个不同的世界,催化出再次改变世界的量子力学。这个过程漫长而卓绝,今天我们就一起来捋一捋,看看能从中得到什么启示。

  

  伽利略启动了对光的研究。

  我们谁都知道,光给世界带来光明,没有光,就看不到一切,也就没有我们的世界。但自古以来,人们对光并没有引起重视,因为光从来就有,是一种永远存在自生自灭的玩意,这种不需吹灰之力就得到的东西,根本不会引起注意。一直到现代实验科学的祖师爷伽利略开始对光速产生了好奇心,并展开了对光速的测量,光的某些性质才开始引起了人们的重视。

  伽利略的测量方法很原始,他和徒弟分别站在相距1英里的两个山头,各拿着一个灯笼,用秒表计算各自举灯的间隔时间。他试图这种简陋的方式,测量出每秒30万千米的光速,当然是徒劳的,无功而返。但他坚定的认为光是具有速度的,只不过极快而已。

  伽利略虽然没有的到光速值,但启动了世人对光速的好奇心,一代代科学家不断改进测量光速的方法,终于在上世纪八十年代,最终确定了精准的光速值,即光速c=299792458m/s(米/秒)。人们从光速测量开始,不但对光速开始感兴趣,而且对光的性质也开始了探索。

  

  关于光到底是什么的探索。

  最早对光的性质提出假设的是法国哲学家、数学家、科学家勒内·笛卡尔,他在1637年发表的《正确思维和发现科学真理的方法论》(简称方法论)一书中,提出了光的两种假设,一种认为光是类似于微粒的一种物质,另一种认为光是一种以“以太”为媒介的压力。他没有明确说光是一种波,却为未来光的粒子说和波动说之争埋下了伏笔。

  1655年,意大利波伦亚大学数学教授格里马第发现了光的衍射现象,由此推想光可能是与水波类似的流体。他通过小孔成像实验,进一步得出了光是一种能够以波浪式运动的流体。事实上他已经通过两个小孔实验得到了光的干涉条纹,但并没有认识到这是光的双缝干涉现象,只认为是光的波动,可以认为,他是光的波动说最早倡导者。

  

  1663年,英国科学家波义耳发现了颜色不是物体本身的性质,而是光照射的效果,他首次记载了光照射肥皂泡和玻璃球留下的彩色条纹,进一步支持了格里马第的说法;不久后,英国物理学家胡克重复了格里马第的试验,并通过对肥皂泡的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假设,认为光的颜色是由其频率决定的。

  1672年,牛顿发表了《关于光和色的新理论》论文,描述了他做的光色散试验:他把太阳光通过一个孔照射到暗室里的棱镜上,在对面墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为复合的白光就像不同颜色的微粒混合在一起,通过棱镜的分解把这些微粒分开。由此他建立了光的微粒说,认为光是由不同颜色的微粒组成。

  

  光的波动说和粒子说之争。

  波义耳、胡克等发现了光的颜色,似乎成为引发光的波动说和粒子说之争的导火索,从此这个争论进行了200年。

  1672年,由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会,对牛顿提交的《关于光和色的新理论》论文予以了否定。而这个委员会的主席就是胡克,这激起了牛顿的争论之心,他开始并没有完全否定波动说,也并不偏执于粒子说,但从此开始了对波动说的反驳。

  1675年牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》文章中,再次重申了他微粒说,对胡克的波动说进行了反驳。但此时两方面都还没有形成完整的理论,论战并没有完全展开。

  

  后来,荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯加入了争论。惠更斯在担任巴黎科学院院士期间,曾到英国旅行并与牛顿会见,他们交流了对光本质的看法,两位大师彼此欣赏。但惠更斯回到巴黎后,重复并研究了牛顿的光学实验,也仔细研究了格里马第实验,认为其中有许多现象都是微粒说无法解释的,因此他最终支持了胡克的波动说,由此与牛顿产生了分歧。

  1678年,惠更斯向巴黎科学院提交了《光轮》的论著,系统的阐述了光的波动理论,成为波动说完整理论的提出者。同年,他发表了反对微粒说的演讲。他认为,光是一种机械波,光波是依靠物质载体传播的纵向波,传播媒介就是“以太”。他根据这一理论,证明了光的反射定律、折射定律,并且较完美的揭示了光的衍射、双折射现象,还有著名的“牛顿环”实验。

  

  1990年,惠更斯的《光论》正式出版,惠更斯对波动说的宣传一直没有停止,他说,如果光是由粒子组成,在传播过程中就会相互碰撞,一定会导致光的传播方向改变,事实并没有这样。而牛顿进行了针锋相对的反驳,他提出了两个论点:一是光如果是波,就会同声波一样绕过障碍物,不会产生影子;二是波动说无法解释冰洲石的双折射现象。另外牛顿还把物质的微粒观推广到整个自然界,并与自己的质点力学体系融为一体,强化了微粒说的地位。

  牛顿在反驳波动说过程中,也逐步建立起完整的微粒说,这些观点,集中体现在了他的光学著作《光学》中,这部著作在1704年出版,此时惠更斯和胡克都已经去世,波动说无人应战,牛顿从此成了一家独大。随着他威望地位不断提升,人们开始对他只有膜拜仰视,坚信他的结论而不敢质疑,由此牛顿微粒说在整个18世纪占有绝对统治地位。

  

  光电效应的发现让人们对光的性质认识发生突破。

  牛顿无以伦比的学术地位,让他创立的粒子理论在一百多年里无人敢于挑战,惠更斯、胡克等的波动理论渐渐被淡忘。这种状态一直延续到十九世纪初期,英国医生、物理学家托马斯·杨的双缝实验,像一颗石子掉进平静的水面,让被忘却的波动说又泛起了涟漪。

  托马斯是个奇人,涉猎广泛,在力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、考古学等方面都有很高造诣,而且还很会享受生活,对艺术、美术都有浓厚兴趣,能够演奏所有乐器,还擅长骑马,能够杂耍走钢丝。

  

  托马斯的双缝实验,从光源传播出来相干光速,照射在一块刻有两条狭缝的不透明挡板,在挡板的后面摆放着摄影胶片或某种侦测屏,得到的是黑白相间的条纹,显示出的是光束干涉图样,符合衍射光波遵循的叠加原理,是牛顿光微粒说无法解释的一种波动行为,确切的证实了光的波动性。

  但托马斯的这些实验看似石破天惊,但并没有引起物理学界的足够重视,也没有彻底解决微粒说与波动说的矛盾和争论。这时候电磁学已经风生水起,涅菲尔、麦克斯韦、赫兹等一批光学、电磁学大佬横空出世,担当起了理论突破的重任。

  

  奥古斯汀·让·涅菲尔用新的定量形式建立了惠更斯--菲涅尔原理,完善了光的衍射理论;詹姆斯·麦克斯韦预言了电磁波的存在,提出麦克斯韦方程组,并计算出电磁波波速等于光速,由此提出了光波就是电磁波的猜想;赫兹则实实在在的发现证明了电磁波的存在,并通过实验确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并提出了光电效应。

  人类对光的认识越来越接近本质,人们通过对光电研究,量子理论已经呼之欲出了!

  

  爱因斯坦石破天惊,确立了光的波粒二象性。

  爱因斯坦相对论已经是现代物理学的最重要基石,让人们津津乐道,但很多人并不知道他还有一个重大贡献,就是“光电效应定律”的发现,这个理论在他的论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》中阐述出来,由此他获得了1921年诺贝尔物理学奖。

  这篇发表于1905年的论文,提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。几百年争论各执一词,原来都对都不对,原来光既有粒子性又有波动性,早知道把这两种理论合在一起不就皆大欢喜了。

  

  事情当然没有那么简单,并不是爱因斯坦捡了便宜,而是他在前人实验基础上,通过严密的数理逻辑,论证了光量子的运动规律,提出了“爱因斯坦光电效应方程”,证明了光子能量等于频率乘以普朗克常数,提出光子的动量与波长的关系式p=h/λ

  在此基础上,他很快创立了更加石破天惊的狭义相对论。

  1924年,德布罗意提出了“物质波”的假设,认为一切物质都具有光一样的波粒二象性性质,因此电子也会具有干涉和衍射等波动现象。他把爱因斯坦的光子动量与波长关系式推广到一切微观粒子,认为具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克常量h跟粒子动量mv的比,即λ= h/(mv)。后来的电子衍射实验证实了他的猜测。

  

  至此,一切越来越明朗,但随之诡异出现了。

  既然光子和一切微观粒子具有波粒二象性,那么所谓的双缝实验又被人们捡了起来,开始了更加细密的观测,随着观测手段的不断提升,一系列诡异现象出现了。由此得到的各种实验得到的结果是:

  1、干涉现象并不限于光子、电子、质子、中子等基本粒子,任何粒子,都会产生干涉现象,甚至一些大分子结构,如富勒烯也会产生类似干涉现象。

  2、单独发射的单个电子也会产生干涉现象,表明单独电子似乎可以同时刻通过两条狭缝,并且自己与自己干涉。

  

  3、用探测仪器观测光子从哪一条缝经过,获得光子路径信息,会导致干涉消失,光子不再呈现出波的状态,而是以粒子形态留在背景屏。

  4、量子擦除和延时实验结论是,探测光子路径信息会消除背景屏的干涉光栅,如果擦除路径信息,干涉光栅又会恢复。

  5、两个相互纠缠的光子远距离分开后,观测A光子的路径信息,会即时影响B光子的行为,干涉图样消失;同理,观测B也会影响到A。

  这种双缝实验的观测一直研究了整整一个世纪,催生出量子力学的哥本哈根诠释,又引起了近一个世纪的争论。这次争论是量子力学创始人爱因斯坦、薛定谔等,与同样是量子力学大师的波尔、海森堡、玻恩、海森伯、泡利等哥本哈根派之争。

  

  哥本哈根诠释和薛定谔的猫。

  哥本哈根诠释就是波尔、海森堡等在哥本哈根大学创立的学派,对量子微观世界一些诡异现象的一些解释,这些解释包括量子波粒二象性、不确定性原理、波函数描述原理等。就是量子总是表现出波和粒子的两种状态的叠加态,人类无法同时知道微观粒子的动量和位置,测量动作会导致叠加态波函数坍塌,原本的量子叠加态态会概率地坍缩成允许测量的某种量子态。

  这些理论我们都可以从上述双缝实验结果中窥视一斑,是微观世界真实诡异般存在的现象,似乎哥本哈根诠释并没有错。但爱因斯坦和薛定谔同样是量子力学大师,却表现出不同的看法。他们认为这个诠释只是量子世界一些表面现象,因此量子理论是不完备的,这个里面应该含有我们没有发现的规律机制,也就是所谓“完备局域隐变量”,只要找到这个就能够掌握量子运动规律。

  

  薛定谔为了批驳哥本哈根诠释的不确定性原理和波函数坍塌理论,弄了个“猫”思维实验,就是著名的“薛定谔的猫”。这个实验是假设一只被关在密闭盒子里的猫,随时可能被释放出来毒要杀死。一种放射性元素控制着一个开关,只要这个放射性元素衰变就会触发开关,释放毒药将猫杀死。放射性元素衰变是随机的,谁也不知道它什么时候衰变,因此在没有打开盒子前,谁也不知道这只猫的生死,只有打开盒子那一瞬间,人们才可以看到这只猫是生是死。

  这下就好玩了。薛定谔代表的经典可控派认为,猫的生死早就在没有打开盒子前就决定了,打开盒子只是知道了猫是生是死,并不是决定了它的生死;哥本哈根派则认为,没有打开盒子前,猫永远处于生和死的叠加态,可能生也可能死,是打开盒子观测才决定了它最终的生死,也就是叠加态坍缩成本征态。

  

  最终,这个争论以贝尔不等式实验证明了所谓“完备局域隐变量理论”不存在,哥本哈根诠释胜出,从此被科学界主流奉为正统理论。“薛定谔的猫”是薛定谔想用这样一个思想实验,把微观世界不确定性原理变成宏观世界不确定性原理,在宏观世界,这只“猫”当然是违背逻辑的,但微观世界的确有其特殊规律,量子力学正是揭示了这些特殊规律,才使人类对世界的认识有了颠覆性突破。

  综上所述,双缝干涉实验在量子力学的发展过程中,起着重要关键的纽带联系作用。这让我想起了古希腊哲学家、数学家、物理学家阿基米德一句话:给我一个支点,我就能够撬动地球。几千年过去了,人类并没有找到这个支点。但双缝实验特别像给了量子力学一个支点,让人类发现了完全不一样的世界。

  

  所以,双缝实验并不恐怖,只有窥探世界最隐秘深处谜底的窃喜,大自然最深处的秘密每发现一点,就能够为人类带来更多的幸福。量子力学的研究还仅仅是起步,还有许多需要深入探索的谜底,那么这个世界到底是爱因斯坦说的“上帝不会掷骰子”,还是波尔、海森堡等描述的“上帝真的在掷骰子”呢?要知道谜底,还需耐心拭目以待。

  就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。

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