电子的双缝干涉

这个世界——星星、地球,月亮、桌子、质子、电子等,是客观存在的,从日常观察中,对此你可能深信不疑。我们都看到过月亮,我们每个人描述的月亮基本都一样,所以月亮应该是客观存在的。现在我们说,质子或电子呢,那些基本粒子是不是客观存在的呢?这个问题很重要,因为能被我们感知的世界,如月亮等主要是由质子组成的。如果月亮是客观存在,那么质子应该也是客观存在的。逻辑上应该如此,但下面的实验,让你不那么确定基本粒子和宏观物体是同一类客观存在的物质。

在一面墙上有两个平行的狭缝,在墙后面有一个荧光屏。每隔一秒我们就朝狭缝发射一枚电子,电子就会穿过狭缝落到荧光屏上,然后激出一个光点。这好像没有什么稀奇的。有些电子可能没有达到荧光屏,但那些在荧光屏上的两点,东一个,西一个的,没什么规律,也没什么意思。你不知道哪些电子会击到荧光屏,哪些击到荧光屏的,落到什么位置。

图1 电子双峰干涉条纹。(a)10个电子;(b)100个电子;(c)3000个电子;(d)20 000个电子;(e)70 000个电子。如果电子智能穿过一个狭缝打到荧光屏上不可能会出现双峰干涉现象,能出现双峰干涉现象只有一种可能:一个电子以波的形式同时穿过双峰。

就这样一个电子一个电子的发射,后面屏幕上一个光点一个光点闪耀着,枯燥而乏味。起初电子数比较少的时候,屏幕上的光点位置随机而散乱,看上去毫无规律可循,当电子的数量多了以后,屏幕上的光点的痕迹组成一条条明暗相间的条纹,如图1所示。这就是波的干涉现象,与水波的干涉条纹相似,如图2所示。

图2 水波干涉条纹

电子到底是一个点还是一列波?

是点,因为我们在屏幕上看到的电子的痕迹是一个光斑,而不是一列波。

只是,你在屏幕上所看到不是电子,而是电子在屏幕上的像。

如果把一列波发射出去,你能在屏幕上呈现一个点吗?

如何证明一列波也是一个粒子呢?

电子与自身干涉的唯一解释是,当两个狭缝打开时,它同时穿过两个狭缝。

显然,电子的两个部分又以某种方式结合在一起,导致屏幕上的一个点闪光。量子世界真的很令人费解。尽管波函数是离域的,但测量给出了它的单点位置(退相干)。一个电子是如何同时通过两个缝隙呢?我们并不理解这一点,但这就是所发生的事情。

既然电子必须同时穿过两个狭缝才能产生干涉现象,那么有没有可能,在两个狭缝的位置同时测量的一个电子的光点呢?

没有。

所有的实验都表明,对于一个电子,你只能在某一个狭缝位置测得一个光点。

这是不可能的!既然电子从一个狭缝位置通过,就不可能产生干涉现象。

但是所有的不可能都已经被实验所证实了。

你只能在一个狭缝上测量到某个电子的光点,同时也有干涉现象。

所以这就是量子力学的诡异之处。

玻尔说,电子本来以波的形式在空间内运动,但你测量的时候,它立马就变成了一个点——退相干。

所以我们只能认为电子和月球是完全不同的事物,总是发生诡异的、常人无法理解的行为。

但作为基本粒子,质子也发生干涉现象。质子的质量比电子大42 000倍,如果把电子看做一个玻璃球的话,质子就相当于是一艘巨型远洋货轮。

远洋货轮通过狭缝也发生了干涉现象。

1999年,富勒烯的干涉现象也被发现了。富勒烯是一个巨大的C60分子,比电子的质量大100万倍。

经过干涉实验以后,富勒烯结构完好,连个毛毛都没少。

有趣。

但诡异。

既然在双缝实验中,电子有干涉现象,能不能证明电子可以同时穿过三个、甚至多个狭缝?

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