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在网络里流传着这么一个关于量子力学的科学神话:我们的意识决定了微观粒子的行为 ,甚至决定了物理世界的神的观客观实在性 。这是话双真的吗?这篇文章将为你破除这个神话 ,回复科学的缝干本来面目 。这一切都要从一个实验说起 。涉实
从牛顿时代开始,光的科学性质问题就在科学界引起了争论 ,当时科学界有两种截然不同的神的观观点 ,一种观点是话双牛顿所认为的光是微粒 ,另一种观点是缝干胡克 、惠更斯等人所认为的涉实光是波。由于牛顿在物理学界统治性的验们影响地位和威望,使他的科学光微粒说盖过了光波动说 ,成为此后一百年科学界的神的观主流观点 。
直到牛顿《光学》发表一百年后的话双1801年 ,英国科学家托马斯·杨以一个实验逆转了这种形势,使光波动说再度复活 ,甚至成为了主流,这个实验就是——双缝干涉实验!
双缝干涉实验是从单缝衍射实验衍生出来的,让一束光经过相距很近的两条狭缝后 ,投射到缝后的屏幕上 ,一般来说 ,当光经过一条竖着的狭缝时,会发生衍射——光绕过障碍物弯散传播的现象,在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹 ,而是一条横着的亮带。(如下图上部分)这种现象早在17世纪就被意大利耶稣会神父弗朗切斯科·马里亚·格里马尔迪发现,并把它命名为衍射 。
而当两条缝的亮带在屏幕后重叠时 ,理论上应该会显示一条更亮的光带,但神奇的事情发生了,最终在屏幕上显示的却是一条条明暗相间的条纹……(如下图下部分)
这是一件很诡异的事情,因为在这些条纹的暗纹上,原来应该是有光的,但当两条缝的光重叠后,那些位置却变成了没有光。这种现象用牛顿的微粒说似乎无法解释,托马斯·杨从水波的干涉里得到启发 ,提出光是一种波 ,暗纹是光波互相干涉产生的。
人类对宇宙的认知革命永远是由极少数天才推动的。在双缝干涉实验证明光的波动说后又过了一百年,一位天才再次刷新了人们对光的认知 ,这位天才就是二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦 。
1905年,物理学博士刚毕业 ,还是专利局小职员的爱因斯坦发表题为《关于光的发射和转化的启发式观点 》的论文,以光作为能量子即光量子的形式解释了光电效应现象。这一开创性的理论使他获得了1921年度的诺贝尔物理学奖 。
光量子的提出使光微粒说再度复活 ,但问题随之而来:光究竟是粒子还是波 ?两种形式都有实验证据 ,似乎两个都对。但是问题又来了 ,波和粒子是两种截然不同的特性 ,光在什么情况下会表现出波的特性?什么情况下又会表现出粒子的特性?
光量子假说提出四年后,一位英国的物理研究生杰弗里·泰勒设计了一个弱光双缝实验,他利用熏黑的玻璃极大限度地降低了光源的亮度 ,直到理论上在光源与屏幕之间任意时刻最多只有一个光子经过,然后利用照相机的感光胶片超长时间的曝光 ,记录下了经过双缝的光。
当照片冲印出来,神奇的一幕出现了,即使光子一个个地通过双缝,最后曝光的照片里依然出现了清晰的明暗干涉条纹 。
这意味着即使只有一个光子通过双缝 ,依然产生了干涉,那究竟光子跟谁干涉?似乎只能有一种解释:光子跟自己干涉了。
这个问题直到10多年后才被法国科学家德布罗意解决 。他在其物理学博士论文中提出了波粒二象性,他指出不单光子,所有的微观粒子都同时具有波的特性,他称之为物质波 。物质波理论预言了单个电子过双缝也能产生干涉条纹。
在确定了光的波粒二象性后,一个问题横亘在科学家面前:光波是什么时候成为粒子的?
一个显而易见的事实是 :在所有的实验里,光最终都是以粒子的形式呈现的!比如在光电效应里轰出电子 ,在曝光不足的照片里呈现的也是一些零星的光点,所以答案显而易见:光在被观察到的时候是个粒子。也就是观测使波成为了粒子 ?如果测量发生得更早又会如何?科学家决定升级双缝干涉实验——测量粒子通过哪一条缝。