发布日期:2025-08-05 18:41 点击次数:151
自古以来,物理学领域就围绕着一个基本问题争论不休,延续了数百年之久。这个议题就是:光的本质究竟是粒子还是波?
按照传统的物理学观点,波就是波,粒子就是粒子,两者本应界限分明。然而,一个物体如何能同时具备粒子与波的双重属性,这似乎不合逻辑,甚至违背了我们对物理世界的基本认识。
为了解开光的本质之谜,科学家们进行了无数实验,其中一项广为人知的实验便是双缝干涉实验。
实验的设计并不复杂,基本原理也容易理解。简单而言,就是在两条狭缝前放置一个光源。
最初的实验是在一条狭缝前设置光源,然后观察其在屏幕上的效果。只见屏幕上形成了单一条纹,中央明亮,四周逐渐昏暗。这正是光波通过单一狭缝时发生衍射的显著标志。
随后,科学家们将一条狭缝替换为两条,并重复实验。屏幕上出现了多个明暗相间的条纹,这是光波通过双缝时产生的干涉现象,就像水波会形成波峰波谷一样。
至此,一切似乎都在预料之中,光波的性质似乎毋庸置疑。
然而,支持光的粒子性质的科学家们对此结果并不满意,他们提出了改良版的双缝干涉实验。在这个实验中,他们逐一发送单个光子通过双缝(暂且不考虑他们是如何操作的)。
按常理,光子如同小球,我们预期会看到屏幕上出现两条明显的条纹。
然而,实验结果出乎所有人的意料。科学家们逐一发送光子,屏幕上却显现出了多条明暗条纹,似乎光子在通过双缝后发生了干涉,形成了与波类似的条纹!
这显然不符合一般的逻辑。要想出现干涉条纹,意味着光子必须同时通过两条狭缝。但根据实验设定,光子是逐一发射的,不可能同时通过两条狭缝。
这奇特的现象令整个物理学界震动。科学家们原本期望通过实验确认光的粒子或波的性质,结果却使问题更加棘手。现在,“光是粒子还是波”的问题已变得不那么重要,紧迫的是物理学家们必须找到合理的解释。
那么,光子是如何同时通过两条狭缝的呢?为了弄清这个问题,似乎很简单,只需在狭缝旁安装摄像头直接观察即可。这是显而易见的解决方案,科学家们自然也会想到,他们真的这么做了。
不过,实验对象从光子换成了电子。电子具有质量和电荷,易于观测,而光子则不然,毕竟我们需要光线反射到眼睛中才能看到。如果实验用光子直接反射到我们眼睛里,实验就没有意义了,而让实验用光子反射其他光子也非常困难。
结果一波未平一波又起。科学家们确实通过摄像头看到了电子通过狭缝的情况,却意外发现观测行为本身会影响实验结果。
原本屏幕上出现的多条明暗相间的条纹竟然消失了,变成了两条明亮的条纹!
这意味着在没有被观测的情况下,电子能够同时通过两条狭缝;一旦实施了观测,电子就一个个有序地通过狭缝,就像玻璃球一样。
科学家们几乎要被这个现象逼疯了。更令人震惊的实验结果即将上演,让科学家们感到极度震惊。
尽管实验结果令人费解,科学家们依然展现出了智慧。既然观测会影响电子的状态,那么在电子通过双缝之前进行观测总没问题吧?
于是,新一轮的实验开始了。科学家们在双缝后方安装了摄像头,想看看电子是如何通过双缝的。
诡异的场景再次上演。电子似乎能“读懂”科学家们的想法,当摄像头打开进行观测时,电子“乖乖地”变成了类似“玻璃球”的状态,屏幕上只显示两条条纹。而一旦关闭摄像头,屏幕上再次出现多条明暗相间的干涉条纹。
这就是延迟实验。实验结果明显违背了我们现实世界中的因果律,因为电子通过双缝后的状态已经确定,不应再变化。但实验结果表明,人类的观测似乎改变了电子通过双缝时的状态。
要知道,人们的观测是在后,电子通过双缝是在前!这意味着后发生的事情影响了先前发生的事情,结果可以改变原因。这实在令人震惊!从更广泛的角度来看,我们似乎可以改变历史。
爱因斯坦坚守自己的信念:因果律不可打破。而以波尔为代表的“哥本哈根学派”似乎得意洋洋:看,实验结果表明一切由不确定性决定,电子在未被观测时处于叠加态,无法准确描述其状态。一旦实施观测,电子的状态立即确定,这就是所谓的“坍缩”。
波尔进一步解释说:在量子世界中,不存在我们传统意义上的因果关系。因果律在这里不适用,取而代之的是互补原理,原因和结果可以互补影响,形成一种互补关系。
波尔的解释可能让人感到困惑:未来的事件可以影响现在和过去。这句话若非出自著名物理学家波尔之口,若非有真实实验证明,你可能会认为说这话的人疯了。
怪不得费曼会说:没有人能真正理解量子力学。他真正的意思是,我们不能用现实世界的常规认知去理解量子世界。
但毕竟微观世界与宏观世界并无明显界限。我们本身也是由微观粒子构成的。如果像电子这样的微观粒子拥有波的性质,位置和速度都不确定,可以随时出现在原子核周围的任何地方,那么理论上,我们人类也应具有这种特性。
而德布罗意的“物质波”概念确实提到了这一点。他指出“万物皆波”,万物都有波动性,且可以通过公式计算出波长:
其中,λ代表物体的波长,h为普朗克常数,p为物体动量。物体质量越大,波长越小。在宏观世界中,我们看到的物体波长极小,因此通常表现为粒子性而非波动性。
然而,理论上讲,我们也有极小的可能性,可以同时通过两条狭缝,可以同时出现在两个不同的地方,比如此刻的你正在阅读这篇文章,同时你也可能在月球或其他任何地方。
读到这里,是否感到彻底疯狂了呢?