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深度长文:如何通俗理解电子的双缝干涉实验?

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光到底是粒子还是波已经争论了几百年了。以牛顿为代表的光的粒子论曾经占据上风,同时代的胡克是光波动说的领军人物,波动说也曾占据上风!

光的波粒二象性可以算作是量子力学的入门基础了。光的双缝干涉实验对量子力学的重要性就相当于伽利略的斜坡实验基于牛顿力学。要想入门量子力学必须要把验证光的波粒二象性的实验搞清楚。

关于牛顿粒子论和胡克波动论的孰是孰非,先别急着下结论,是骡子是马拉出来溜溜就行了。

我们知道,物理学史有一个关于光本质的著名实验。也就是托马斯杨的双缝干涉实验

实验原理很简单。有一个光源发射器放在最前面,中间是一个开了双缝的隔板,后面是一个可以呈现光线分布的光屏。


现在我们就开始做实验,并假设牛顿和胡克的对话场景。

首先,操作实验的王麻子把双缝中的一个堵住了,所以一开始是单缝实验。

现在光线只能通过一个缝射到光谱上,于是我们在光谱上看到明显的衍射图案。


左为牛顿,右为胡克想象图

胡克会说:你们都看到了,我就说光是波。你们还不信!这个衍射图案就好像水波经过一个细缝会扩散开来一样。


光屏上的衍射图案就像是凸起的金字塔

牛顿:胡克啊,你先别急着下结论。我的粒子论也可以解释光的衍射现象。我把光粒子比喻成沙粒。站在二楼上,并在地上钻凿一个小洞,我现在二楼上不断地往小洞内填沙子,最后一楼堆积的沙丘就像个金字塔形状,而这就类似于光的衍射图案,沙粒总会散散落落地分布在沙丘两端,就像是衍射图案的两端轻微波动。在沙丘的右下角的点A处取一个垂直高度设为x(原谅我的绘画水平)。


牛顿解释的单缝衍射原理图

胡克回怼牛顿到:小样,嚣张哦!看我不整死你。于是大声到:王麻子,给我把双缝都打开,我倒是要看看光屏上会呈现什么图案!

王麻子:哇,结果出来了。好像是干涉图案哟!牛顿要输了,胡克大大牛逼!

胡克:太好了!牛顿,你输定了!你因为按照你的理论,当我打开双缝时,光屏上的信息应该是两个金字塔沙丘之和。那么点A处的高度就应该是2x。


牛顿粒子论预言的干涉实验结果与事实不符

但是结果却并不是,这是明暗相间的干涉条纹。所以说,光是波,出现这种情况是因为波的相位叠加导致的!


牛顿回怼胡克:闭嘴!你自己人不行,没能力解释而已。这是因为打开双缝时,通过两个小孔的光粒子发生了相互作用,它们纠缠在一起了,所以最后的结果当然不是两个沙丘的简单叠加。至于怎么纠缠在一起,我也不知道,反正就是纠缠在一起了。

胡克此时懵了:这都能强行解释?

王麻子:看来你俩第一回合是难分伯仲了。

胡克心想:明显是我赢了好不好?怎么就难分伯仲了?算了算了,不计较了,牛顿人品差也不是一天两天的事了。曾经把我生前唯一的一幅画像都烧毁了,导致后人都不知道我长啥模样,只能靠想象揣摩我英俊的脸庞了。想着想着眼眶就湿润了。


胡克复原图

王麻子:胡大大,你怎么哭了?瞧你那没出息的样!要不咱换一个玩法?之前我都是一次发射很多条光线。这次我一次发射一条光线,一条光线就是一个光子。看看实验结果如何?

胡克:那行吧!

牛顿:赶紧开启第二轮回合!

这时候王麻子直接把双缝打开,一次发射一个光子经过双缝。当然,一个光子在胡克看来就是一个周期的波动。

结果出来了,明暗相间的干涉条纹依旧存在!不过比较图案弱,毕竟一次才发射一个光子嘛,这是光强太弱导致的。但不影响定性分析。

胡克:牛顿啊,认输吧!我都说了光是波,只有波才能解释这种现象。波在遇到两个细缝时被衍射开来,衍射之后的波再发生干涉,所以才能在光屏上呈现出干涉条纹。

牛顿:呜呜呜......我不信,我不信!这一切都是假的,我在做梦,我不可能错了。

就在胡克单方面宣布胜利的同时,王麻子说话了!

王麻子:等等......!我怎么听到光屏上发出咚...咚...的声音。这表明光屏受到了周期性隆起的波包撞击。


牛顿看到此场景瞬间振奋了起来,说到:胡克你来,你解释一下这是咋回事?按照波动说,光波的能量是均匀分布的。即便光干涉了,但光屏上的光波能量基本是均匀分布的。光波打到光屏上的声音应该一直是滋滋滋滋....的微弱响声。怎么会出现滋滋滋...咚....滋滋滋...咚...的声音呢?这“咚”声的强度比滋滋声高了无数倍。这就证明每一次“咚”声就是光粒子打到光屏上的声音。按照波动理论是无法解释的,所以我的粒子论又对了!


王麻子看见牛顿自嗨,实在看不下了。就说:牛爷,你难道忘了我刚才一个个的发射光子时候,光谱上出现了明暗相间的干涉条纹的那一幕了吗?这个你还没有解释呢!你先把这个给我解释了再自嗨也不迟。

牛顿此时哑口无言了,好像自己和胡克都不对!

现在我们知道了,这就是光的波粒二象性,我们不应该偏袒任何一方,只要两者结合起来才能解释实验现象,当然爱因斯坦说的光子可不是牛顿的光粒子。


波粒二象性

牛顿的光粒子是一种极小的实心球,在遇见障碍物可以反弹。而爱因斯坦的光子概念是光量子,是不可再分的,也是电磁波的能量单位,遇见障碍物会被吸收,吸收光子能量的原子核外电子处于激发态,再释放出光子。

可是王麻子很固执,不信“邪”。光怎么既是粒子也是波呢?这也太抽象了,光要么粒子,要么就是波。我倒是要看看光导致是经过了哪个缝打到光屏上的。

于是王麻子把探测器放在了其中一个细缝的后面,于是干涉条纹不见了。这是由于探测器吸收了光的能量导致的,固然看不见干涉条纹。

于是王麻子灵机一动,他把探测器拿远一点,让探测器发射用于测量的光子B,并撞击通过细缝的光子A,反射回来的光子就携带了“光到底经过哪个小孔”的信息。(注意:这里面有两个光子,一个是经过挡板细缝的光子A,一个是用来探测光子A路径的光子B)


可是当王麻子探测光子的路径后,却发现干涉条纹消失了。

因为光子B撞击光子A后,导致光子A动量改变,于是光的干涉图案消失了!所以测量行为决定性地干扰了被测量粒子的运动。

但为什么测量宏观物体不会出现这种情况呢?

事实上,我们测量宏观物体也是用声波,电磁波这样的工具。一般情况用电磁波测量宏观物体的机会更多。而电磁波就是光子的运动,光子是微观粒子。也就是说我们平时用光子测量宏观物体,而光子和宏观物体的质能相差了无数倍。所以光子对宏观物体的干扰就完全忽略不计了。


但当我们用光子或其它粒子测量微观粒子时,就会大大扰动被测量粒子。因为用于测量的粒子和被测量粒子的质能相差不了几个数量级,测量行为必然导致微观粒子的运动规律骤变。这就是量子力学中的量子态的测量坍缩效应

我们只能说:光子不被测量时,处于波动性和粒子性的叠加状态,这是波粒二象性的体现。德布罗意的物质波告诉我们:微观粒子和宏观物体都具有波粒二象性,只不过宏观物体的波动性不显著罢了。这种抽象的概念也是量子力学的入门思想。

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