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双缝实验的奥秘

今天让我们来聊聊一个绝大多数人在物理课上都做过的实验——双缝实验(Double-Slit Experiment)。

d833c895d143ad4b17c5559882025aafa50f06fa这个实验的最初发明者是英国科学家托马斯杨。在200多年前的1801年,托马斯杨第一次进行了这个非常简单又能揭露光的波动性的小实验,并写进了《自然哲学与机械学讲义》书里。可悲的是,当时同时代的科学家并不认可。光的粒子论当时盛行于世,杨的书籍20年无人问津,杨把自己反驳光粒子论的论文汇成小册子自己发售,据说只卖出了1本。

现如今,双缝实验已经跻身于物理学史上最经典的五个实验之列。2002年《Physics World》杂志对全世界物理学家做了一个调查评出了“十大最美实验”,其中双缝实验位居榜首。连当年的托马斯杨都没有想到,在200年之后,人类对双缝实验的研究越发热情高涨。费恩曼说,双缝实验包含了量子论的所有秘密和神奇之处。这个简单又无比深奥的实验,是至今物理学需要攻克的难题之一,对这个实验讨论和思考的越多,就越能对世界本质产生比哲学家更严肃的思考。

人类物理学的进步,其实和出生婴儿观察世界的过程一样,都经过了 观察->思考->修正->再观察->再思考->再修正 这样的循环。而反常识的发现往往就是推动物理学大发展的源动力。一旦观察到无法通过修正解决的现象,只有跳出框架,构造更大的框架来解释新的反常识现象。

在双缝实验之前,让我们先看看几个科学史上最著名的反常识的例子。亚里士多德认为,所有物体必须推动,才能前进。这是远古人们对自然很朴素的观察和认知。这个常识深入人心长达几千年,直到伽利略的横空出世。

伽利略和所有人一样,生活在有阻力的世界里,然而他却通过大脑想象出了无阻力的世界会怎样。伽利略石破天惊的提出了,物体如果在无阻力的环境下,会匀速直线运动,而且永远这么动下去!而物体受到力推动之后,反而会加速运动。日常生活中因为阻力广泛存在,才会造成物体有推力才会动的假象。

image002伽利略思考的方式也很有意思。在日常生活广泛存在阻力的环境中,是如何想象无阻力的世界是怎样的呢?伽利略想象了一个斜坡,假如一个物体从斜坡上滚下去,斜坡的高度保持不变,物体一定会随着斜坡上的阻力变小,以及斜坡的长度变大,越滚越远。如果斜坡的高度保持不变,斜坡的长度却被拉伸到无限,阻力变成零,那么物体是不是就可以永远这么动下去了?通过这样的创造性的跳出框架的思考,伽利略成功打破了人类几千年的常识,完成了一次物理学伟大的进步!

说到反常识,那么不得不提的还是光速的不变性。在伽利略时代之后,人们普遍接受了相对速度的简单朴素的概念。一个人A以10米每秒的速度往东跑,另一个人B以10米每秒的速度往西跑,那么A看到B就是B在以20米每秒往西跑。然而1884年,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验,震惊了世界。这个实验发现,如果一个人A以10公里每秒的速度往东跑,另一个人B以30公里每秒的速度(也就是光速)往西跑,那么A看到B,发现B相对A还是30公里每秒的速度(光速)。就是说,不管你往什么方向,用什么速度,沿着光、逆着光,顺着倒着跑,那束光在你的眼里测量出来依然还是光速那么多,不多也不少。

u=4089854620,2149260910&fm=11&gp=0非常具有讽刺意味的是,迈克尔逊-莫雷实验的初衷是为了证明以太存在,以及光速可以和其它速度叠加,比如一倍光速加一个相对速度可以超过光速。然而实验目标全都失败了。这个实验又是那么好重复,导致当时所有物理学家一筹莫展,很多人觉得经典物理学就此坍塌。

速度等于长度除以时间,在速度恒定的情况下,是不是长度和时间发生了变化?反常识使大家跳出了原本框架,爱因斯坦在此时横空出世,通过把光速不变做为固定前提,证明了当物体在运动时,长度、时间这几个变量其实都发生了改变,导致光在他眼里依然还是光速。因此完美的解决了为什么光速永远是恒定的疑问。

当然,虽然物理上解决了光速恒定的问题,但是为什么我们这个世界会存在如此奇怪的一个不变量?为什么光速是所有物体运动的上限?为什么各种定律中会穿插着光速这个常量?这就是哲学需要考虑的问题了。在现代物理学中,光速常量C已经贯穿时空变换,成为各个方程式和运算中不可或缺的一个基本常量了。以至于最近人们(国际单位制)已经把一米直接定义成了光在真空中跑1/299,792,458的距离,将光速彻底锁死在了不依赖任何测量精度限制的 299,792,458 m/s。甚至于在很多物理学分支中,为了便于计算,现在直接把光速定义为1(C=1)。

下面让我们回到更加有冲击力的双缝实验。这个实验给人们带来的震撼,更超过迈克尔逊-莫雷实验证明光速恒定给大家带来的冲击感。

Single_and_double_slit_4这个实验最初是托马斯杨为了要证明光同样具有波的干涉衍射现象而发明的。实验也很简单,一根蜡烛(点光源),通过带有两条细缝的屏障(比如一张纸),在屏障后的墙上成像,会发现光在墙上形成了一道深一道浅的光栅,很像两个石子投入池塘,形成的两道水波浪在叠加打到岸边的样子。如果遮住其中一条缝,那么光就会经过小缝然后散开,形成衍射现象,均匀的照在墙上,形成均匀的光带。

这个实验可以通过波粒二象性比较好的解释。光有时候表现出波的特点,有时候则是粒子。在双缝实验中,光的粒子和其它光的粒子在空中发生了衍射效应,有的地方变亮,有的地方变暗,最后形成了最后屏幕上的波纹。

随后发现不光是光子,电子、质子、原子、甚至是比较大个头的分子段,都可以重复这个实验,产生干涉现象。所以只要是微观粒子,都可以重复双缝实验。

206px-Double-slit_experiment_results_Tanamura_2随着技术发展和进步,到近代,人们已经可以通过实验设备,控制每次只发出单个的一个粒子。2008年意大利实验室第一次用单个电子和真正的双缝完成了双缝实验。每次谨慎的从发射源只发射出一个电子,这个电子通过双缝中的一条缝,然后落在感光屏上。开始看上去似乎毫无规律,随着时间推移电子在目标感光屏上依然形成了光栅的模样。而遮住其中一条缝,光栅现象就会消失。还有很多类似的实验也重复了这个过程。

单个光子/电子是如何形成干涉条纹的?单个光子在通过其中一条缝的时候,可以知道另一边的缝的存在?或者是更诡异的,光子是同时通过了两条缝然后形成的干涉条纹?

这些问题,在随后一大堆实验中都进行了常识性的理解。有人猜测,只要加上观测器,知道每次光子经过的是左边缝还是右边缝,那么干涉现象就会消失,因为只有光子同时经过两条缝,才能形成干涉条纹。如果光子被发现经过了其中某一条缝,那么干涉条纹就会消失。这就是量子论中的观测会引起波函数坍塌的一种解释。

最开始的几个实验似乎能证明这一点。只要加上了观测器,看到光子每一次是通过左边还是右边的缝,那么干涉现象似乎就完全消失了。然而最近的一些实验却做出了相反结果,人们可以知道光子是通过左边还是右边缝,但是干涉现象依然存在,但是只是会非常大的减弱。2012年,研究人员做出了可以完美检测光子通过哪条缝,但是却对干涉条纹丝毫没影响的实验结果,可惜这个结果还有争议。因为测不准原理,在不影响光子的前进路线的前提下,同时还要检测光子的存在非常的麻烦,所以观测光子在哪条缝是否会影响干涉条纹,目前还有很大争议。(现在网上还有很多材料认为观测会造成影响,实际上是引用的老材料)

光子肯定是经过其中一条缝然后到达感光屏的。那么它在经过其中一条缝的时候,是不是知道另一边还有一条缝,这时候关上或者打开另一边的缝,对结果会有影响么?于是“惠勒延迟选择实验”就被设计了出来。

u=639416768,2938890662&fm=23&gp=0这个实验是双缝实验的变种,它将两条小缝拉长为两条管道,在管道的终点有一个设备可以控制,是将缝打开还是关上。(实际上并不是这么简单,这里只是类比双缝实验做了简单化描述)这个实验最早在1984年完成了第一次,随后在2007年完成的版本结果最为纯净。根据可重复的实验结果,已知一个光子进入一条缝之后,在光子快要到目的地时,忽然打开或者关上另一边的缝,居然会影响光子是不是产生干涉!

实验人员总结说,这个结果打破了因果论,因为可以在光子实际决定是不是产生干涉之后(在进入两条缝的管道的时候)很久,通过关闭或打开另一条缝来对光子的过去的选择造成了影响,并且这个关闭或打开的动作的信息传播速度也可能超越了光速,在关闭或打开缝之后,离缝很遥远的孤零零的光子就收到了讯息,知道在出缝之后自己是不是需要产生干涉条纹!

这个实验同样也引发了很多衍生实验,比如中科大在最近做的一个实验中,对控制缝是不是打开引入了量子化,即50%概率打开,50%概率关闭。由于量子纠缠,观测到的结果居然不是打开和关闭的简单叠加,而是一个很奇怪的中间态图案。通过修改概率,可以展现出慢慢从毫无衍射,到完全衍射的各种中间态。

爱因斯坦当年曾表示不信任量子论,说过一句很著名的话“上帝不掷骰子”,同时他相信存在一些隐藏变量并没有人发现,所以被迫用波函数和坍塌来描述量子行为。在此几十年,科学界被量子论一统,大家普遍认为爱因斯坦错了。然而,在双缝实验引发的各种奇怪诡异的现象被发现之后,爱因斯坦的隐藏变量又被人重新提起。很多人开始尝试跳出框架来对实验进行解释,但是往往都加入了隐藏变量的说法。究竟真相如何,恐怕还要等待更多的实验结果和理论猜想。

20071025161031378米兰·昆德拉曾说,人类一思考,上帝就发笑。即使是那些最严谨最严肃的思考,可能也只是为一个值得敬畏的、巨大的未知,提供些调剂品而已。物理学也是,随着劈波斩浪、打破常识,过去的物理学家已经跳出了很多很多个框架和约束,然而随着观测水平的提高,却发现还有更多的框架外的迷雾等着我们。同时物理学的发展也越来越受到人类观测水平的限制。只有靠观测靠实验,才能找到更多关于世界真相的线索,然而观测和实验却越来越难做,越来越受限于技术水平。也许真的存在一个类似常量C的人类认知上限,将人类紧紧约束在其中。在未来,世界的真相,只有靠哲学家们去猜测。