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令人毛骨悚然的电子双缝干涉实验

(2016-12-20 23:43:04)
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分类: 光子•量子

令人毛骨悚然的电子双缝干涉实验

存在之轻 2016-11-22 13:48

令人毛骨悚然的电子双缝干涉实验
很少有一个物理实验被人称之为“毛骨悚然”,但以此来形容电子的双缝干涉实验一点都不为过。为什么呢?倒不是因为这个实验的过程有多么血腥,而是因为这个实验几乎颠覆了几千年来人们对客观世界的主流认识,具体而言,就是在人类认识世界的过程中,人的意识决定着客观对象的呈现方式。

怎么样?吓人吧。在经典的科学认识方法中,我们强调认识活动中主体与客体的分离,客体是独立于主体的存在,主体的认识活动不能对客体产生任何影响。千百年来,这条原则制约和指导着人类的认识活动,并在牛顿那里得到升华和发扬光大,确立了牢不可破的地位。

然而,随着人们对世界认识的深入,随着人们认识领域的不断扩展,当人们的认识来到亚原子的层面时,人们终于发现了问题。这其中具有标志性和里程碑意义的一件事就是电子的双缝干涉实验。

1907年,托马斯.扬实现了光的双缝干涉实验,再次引发了光的本质究竟是粒子还是波的争论,但此时的争论仍局限在经典物理的范畴内。1961年,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松不知道哪根筋搭错了突发奇想用电子来进行双缝干涉实验,从而打开了量子领域的一个潘多拉盒子。

约恩松首先用电子流朝着并列的双缝轰击,按照设想,电子流通过双缝后应该在后面的屏幕上留下两条与双缝对应的亮纹。然而,神奇的是,在屏幕上出现的并不是两条亮纹,而是多条明暗相间的干涉条纹。约恩松很好奇,他设想是否是因为电子在电子流中互相拥挤碰撞,进而造成了多条干涉条纹。于是,他使用发射器将电子一个一个发出,这下就不会有碰撞了,然而神奇的是,在双缝后面的屏幕上仍然留下了一条条明暗相间的干涉条纹。经过争论,人们认为电子也具有波粒二象性,事情似乎是告一段落。

然而,1974年,米兰大学的梅里教授又突发奇想,他对实验结果还是不满意,他老想看看电子到底是怎样通过双缝的,看看干涉条纹到底是如何形成的。没想到这下坏了事。他在双缝的入口安装了高精度的监视器,可以清晰地看清电子的出入。准备完成后,他仍然通过发射器将电子一个一个发出。结果这不看不要紧,一看,坏了。屏幕上的一条条干涉条纹不见了,只剩下了两条亮纹,而且通过监视器可以清晰地看到电子如粒子般一个个通过左缝或右缝,在屏幕上形成两条亮纹。

前面说过单个电子流在屏幕上应该形成多条干涉条纹,为什么试图观察电子通过双缝的行为时,干涉条纹就消失了呢?梅里也很疑惑,于是他将监控关闭,结果屏幕上又出现了神奇的干涉条纹;再将监控打开,条纹又消失了;……如此往复。

这个实验可怕在哪里呢?从实验过程看,目标是看清电子干涉中通过双缝的行为,但当你要看时,干涉条纹就消失了;当你不看时,干涉条纹就出现了。总之,电子就好像有了意识一样,和人玩起了躲猫猫,总之,不让你看到干涉情况下的行为。

这个实验在科学界引起了巨大震动。为了解释这个实验,人们不得不再次审视千百年来在科学研究中被摒弃的一个观念:“意识”。在传统的科学研究中,“意识”是不会对客体产生影响,是不应被引入到科学研究中的。然而,由于电子的双缝干涉实验,“意识”不仅被引入了科学研究,而且一定程度成为实验结果的决定因素,即实验者的意识决定着实验对象的呈现方式。

这才是电子的双缝干涉实验真正让人毛骨悚然的地方。按照量子力学主流的哥本哈根解释,在双缝干涉实验中,电子本身是既是粒子,又是波,即波粒二象性。当人们不对双缝加以观测时,电子呈现出波的特性,在屏幕上形成多条干涉条纹,此时可以认为人的意识中已将电子认定为波;而当人们观察双缝时,其意识中已经默认电子是粒子,因而干涉条纹就消失了,电子真的按照人的意识体现出粒子的特性,仅形成两条亮纹,尽管此时人的目的是想得到干涉条纹。总之,是人观测或不观测的行为,或者说是人将电子当作粒子或波的意识,决定着电子最终呈现为粒子还是波。

这个实验结果是颠覆性的,千百年来科学研究的根基几乎被摧毁。很多人接受不了,纷纷举起反抗的大旗。其中代表人物就是爱因斯坦,他提出隐变量的假说,试图否认意识的作用,然而就目前而言,隐变量似乎仍未找到可信的依据。还有其他人物,也提出种种假说,如平行世界等等,但都属于边缘性的理论。目前主流理论仍然是采信了意识的哥本哈根学派,也就是说,在量子领域,目前意识这一概念已经牢牢占据了核心地位。

人的意识决定着电子的行为,听起来好像天方夜谭,可这真真实实就是电子双缝干涉实验带给我们的震撼。在二十一世纪初科学界评选的令人头皮发炸的十大实验中,该实验高居榜首。用“毛骨悚然”来形容该实验一点也不为过。


http://www.toutiao.com/i6355665604828987905/

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