史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)

双缝干涉试验,作为高中物理课上的入门级知识,每一位理科生都曾学过。但物理老师只会告诉你这个实验如何做,说明了什么,却不会告诉你这个实验背后,隐藏着至今都无法解释的诡异现象。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(1)

简单回顾下试验,如上图,我们准备一个蜡烛,在蜡烛后面放置一块只有一条长缝隙的挡板,这个挡板的作用是让蜡烛发出的光先衍射,变成一束稳定的相干光源,这样可以排除干扰,能更清晰地观察到试验结果。然后在后面放置一块有两条长缝隙的挡板,第二块挡板的作用是让相干光变成同样的两列光源,这两列光源发生干涉,相位相同效果就加强,相位有差就抵消,最后再放置一块黑色屏幕,承接干涉产生的明暗条纹。

这个实验证实了光具有波动性,不仅仅是粒子。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(2)

波粒二象性不仅存在于光子中,质子、电子和其它基本粒子都具有这种特性,它们即是一种粒子也是一种波。所以用电子进行双缝干涉实验,也会出现明暗的纹路,并且电子更容易观察。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(3)

于是,物理学家克劳斯用单个电子进行了双缝干涉实验,电子发射器对着双缝挡板的其中一条缝发射单个电子,一个电子发出后间隔微小的时间再发出第二个电子,没想到也能出现明暗条纹。要知道,之前用蜡烛作为光源是一大堆粒子同时通过双缝,而单独一个电子通过双缝也能产生明暗条纹,则说明一个电子是同时通过了两条缝,自己和自己发生干涉。

电子刚发射时是一个粒子,通过双缝就变成了波,这不难理解,毕竟电子也具有波粒二象性,所以发出的单个电子是以波的形式同时穿过双缝,自己和自己干涉后,再在屏幕上形成明暗纹路。

接下来,诡异的事情要发生了。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(4)

科学家在双缝前安装了粒子探测器,想要观察单个电子究竟是从哪条缝穿过去的时候,屏幕上的明暗条纹消失了,也就是说这时发射的单个电子并没有同时穿过双缝,而是只通过了其中一个缝,这表明此时的电子是以粒子的形态穿过双缝的,粒子一颗一颗打在屏幕上形成一条长光纹。

而当科学家撤走探测器,不观察粒子运动经过哪条缝时,屏幕上明暗纹路又出现了!这时一个电子又变成同时通过双缝,这表明对电子进行观察会影响电子的状态,电子是粒子还是波,取决于外界的观察!

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(5)

这种诡异的现象仿佛电子是有生命的,被人发现了就变成粒子态,没被发现就偷偷变成波态,完全颠覆了认知。为了进一步解释这种现象,科学家设计了延迟实验,但结果更是毁三观。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(6)

我们之前的观察是在粒子未通过挡板前观测的,我们观察,粒子就具有粒子性,一个粒子只通过一条缝隙;我们不观察,粒子就具有波动性,是一种波能同时通过两条缝。延迟实验的原理相当于把探测器移到了挡板和屏幕之间,让粒子先做出选择然后再观察。

例如当单个光子通过挡板后,瞬间开启探测器,这时单个光子通过两条缝已经成为了事实,我们再观察它的运动路径发现它只通过了一条缝,并且这时干涉条纹消失,只剩下一个亮点,这就相当于将因果关系颠倒了!

你的观察令波函数坍塌,在量子力学的世界里,现在做的事情,可以改变历史上已经发生的事情。

史上最诡异的物理实验(一个简单的高中实验)(7)

这与宏观世界的法则完全相反,对于这种诡异的现象,目前科学家也没能给出解释,理论物理在量子力学和相对论之后已有将近100年没大发展了,后人都是在这两大基础上修补而已。

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