龙武天龙
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6天前 · 1 人阅读

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双缝实验Double-slit experiment

假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于两条相互平行的狭缝,则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样,如下图所示,在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。 这个实验在19世纪初就已经被英国科学家托马斯·杨Thomas Young正式提出,也称之为托马斯杨实验

阳光的双缝干涉图案

假若把光视为波,如下图所示,则可以解释这种现象。

平面波的双缝干涉图案示意

但是,如果把光束逐渐减弱,最终又可以看到干涉图案是由很多小点组成,这又说明光具有粒子特性。

最后的科学结论是光子具有波粒二象性wave–particle duality

波和粒子两个属性是量子互补Complementarity principle的,即有此无彼,有彼无此。

波可以同时通过两条细缝,而粒子只能通过其中一条。如果我们在双缝处尝试观察光子是否通过,那么光子会表现成粒子一样被我们正常检测到,但同时后面屏幕上的干涉图案也会神奇的消失。

同样,尽管光子作为波同时通过两条细缝之后,在屏幕上显示出光点也是波与粒子叠加态最终坍缩成粒子的结果。

延迟选择悖论Delayed-choice paradox

如果一个光子表现为好像是通过一条通向探测器的路径,那么它必须作为粒子进入双缝装置;如果一个光子表现为好像它是由两条难以区分的路径来表现的,那么它必须以波形进入双缝设备。

这里就存在一个悖论:如果在光子处于飞行中途时改变实验装置,则光子应该反转其关于是波还是粒子的原始“决定”。当这些假设应用于星际维度的装置时,地球上关于如何观察光子的最后决定可能会改变数百万甚至数十亿年前做出的决定。

但是,当光子处于飞行中途的时候,如果我们把它视为一种未知的叠加状态Superposition of states,这种状态既可以表现为波动,也可以表现为粒子,那么这个时间悖论就可以得到解释。

量子擦除器实验Quantum eraser experiment

在1982年,两位科学家斯库里Scully和德鲁尔Drühl提出一个实验可以在获得光子路径信息之后再擦除这个信息,最终让干涉条纹再次出现。也就是说,可以先观察光子的粒子属性(路径信息which-path information),然后再擦除这个观测使之再次表现为波动干涉条纹。

这个实验的最简单描述版本着这样的。

  • 五角星为一个光子发射器,它可以一个一个的发射光子。
  • 左下角斜放的绿色条块为分光器Beam splitter,它可以随机的让光子直接穿过(蓝色)或者被向上反射(红色)。
  • 左上角和右下角的灰色条块是全反射镜面,可以让光束反射然后在右上角位置交汇。
  • 右上角的绿色矩形条块也是个分光器,可以随机的把光子重新分配方向,向上或者向右。

左侧A图可以知道,光子的具体路径是可知的,右上角处向上蓝色的光子通过右下角的反射镜,向右的红色光子通过左上角的反射镜。

但右侧B图就无法知道光子的具体路径信息,因为右上角的分光镜把路径信息又混淆擦除了。

简单说,A图屏幕①②处都不能得到干涉条纹,而B图屏幕③④则能得到干涉条纹。

如果在x或y处观察光子,同样可以确认光子通过的路径,但这些信息将被右上角的分光器擦除,也不会影响③④处得到干涉条纹。

结语

双缝实验和很多量子实验并不是只出现在光子,很多量子现象还出现在更多粒子(电子、中子、原子),甚至分子水平上,比如由60个碳原子组成的巴基球(即富勒烯C60分子),而太空中的巴基球很可能是地球生命的起源。

巴基球

我们的世界也是量子化的,只是宏观世界中无数量子波函数的坍缩,形成现实中足球无限接近100%的确定性运行轨迹,以至于我们根本没有可能观察到一个足球同时通过两扇门的现象。

生命的复杂性无疑由细胞的复杂性组成,而细胞由分子组成。细胞的功能依赖于其分子的化学性质,而分子的化学性质依赖于电子的数量和运行机制。归根结底,生命的机制来源于量子世界,整个世界的运转都受量子理论驱动着。

细胞的尺度一般在0.1~1微米(μm,米),分子的尺度一般在0.1至几十纳米(nm,米),原子的尺度一般在数十到数百皮米(pm,米),电子仅有原子的数十万分之一。

量子到底是什么?目前仍是未解之谜,波粒二象性之外是否还有更多未知可能?也许量子只是更高维度时空某种对象在我们世界的一个投影,它不断地略过我们的三维时空,形成我们所知的世界。


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