平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

往期回顧:

(未閱讀往期文章並不影響繼續閱讀,但因為是一個系列,如果連貫讀下來,效果更佳哦!)

小夥伴們大家好!很高興您能看到我的文章。今天帶給大家的內容有點玄乎也有點科幻,叫做“平行宇宙”。大家可能已經在各種科幻題材甚至心理、宗教等方面瞭解到這塊內容。但是我想說的是,平行宇宙在物理學裡面是一個嚴肅的、正式的科學理論,並非大家茶餘飯後的娛樂話題。大家如果有興趣瞭解一下,不妨閱讀這一系列文章:《平行宇宙:科幻還是科學?》。這是第三個故事:《雙縫實驗》。

閒話少說,讓我們繼續在量子幼兒園的奇妙旅程。

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平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗


我們知道,揭開平行宇宙的秘密的鑰匙,隱藏著雙縫干涉實驗當中。在雙縫干涉實驗裡,光表現得像一種波。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

屏幕出現的明暗相間的多條幹涉條紋,只有波才能做到。


可是經過別的實驗驗證,確鑿無疑地證明光又是一個一個的粒子。那麼,如果在雙縫干涉實驗當中,把光子一個一個地發射出去,會發生什麼事情呢?


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

把燈泡換走,換成一把“光子槍”


這回呀,我們找來光子的好朋友,電子。請它來幫忙演示一下。電子跟光子一樣,也是微小的小粒子。不過比起光子,它有一個好處,就是它的“粒子”性更強,就是它看上去更像一個粒子。這樣子,我們就容易把它一個一個地發射出來啦。 小朋友們準備好了嗎?準備好來我們就要開始啦!

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗


當電子開始一顆一顆地隨意往前發射時,有些被擋板擋住了,我們就忽略它。但總有些光子能穿過縫隙,打到後面的屏上,那麼就顯示出一個光點。剛開始的時候,穿過縫隙的光子,隨機地出現在屏幕上,並沒有什麼特別的規律。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗



電子陸續不斷地發射往屏幕。但目前看上去還是隨機的,一切還是合乎預期的。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗



慢慢地,電子累積的數量開始多了起來,從屏幕上就能看出,好像某些地方它出現的幾率會大一點,某些地方少一點。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗



隨著電子數量越來越多,慢慢地呈現出條紋的輪廓。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗



電子達到足夠多的數量時,我們發現,熟悉的干涉圖樣,就出現在了屏幕上。


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

即使一個一個地發射電子,最終也會形成干涉圖案


平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

把光子換成電子來做的電子雙縫實驗,請注意這是理想化了的


前邊的實驗裡頭,使用的是光。因為光像一種波,有頻率,有波長,所以形成干涉條紋和合理的。唯一有問題的就是光也被別的實驗所證實是一種粒子。

現在用電子來做實驗。毫無疑問,電子是一個個的小球似的粒子,但是它又能形成干涉條紋,是個波。

波和粒子是截然不同的兩種東西。為什麼光子和電子那麼怪異呢?這裡頭隱藏著大秘密。

小朋友們猜對了電子雙縫實驗的結果了嗎?這是什麼原因呢?

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

小班的小朋友會說,我們第一次以普通光源做的干涉實驗,就好像一下子源源不斷的傾瀉光子,所以屏幕上一下子就出現干涉條紋。但這一次是一下一下地發出光子(電子),所以呢,它就會慢慢,慢慢地出現干涉條紋啦!

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

聰快帥呀!

但僅此而已嗎?

果然,馬上就有中班的小朋友跳出來說道:等等!這裡邊好像有點問題。我們最開始的時候說,之所以能形成干涉條紋,是因為波的原因。但現在我們的電子不是像子彈一樣一顆一顆發射嗎?它們已經不是波了啊!這些電子怎麼會團結起來,好像有共謀似的,我奔向這,你奔向那,從而集體形成干涉的條紋呢?

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

不愧是中班的同學啊!更聰更快更帥。


我們靜下心來想一想。當第一顆電子落在屏幕上時,它感覺是隨機地挑了一處地方落腳。當第二顆電子落在屏幕上時,又是隨機地挑了一處地方。如此類推,它們應該形成一個相當隨機的圖案才對呀!如果說它們是粒子,那應該像子彈的結果一樣,形成大致是兩條條紋的模樣,而且條紋的中心應該對應於擋板兩條縫隙的位置才對呀!怎麼感覺它們好像商量好似的,合夥形成這麼若干條的干涉條紋呢?難道第一顆電子發射後,會通知第二顆電子:兄弟,我將會落在這個地方,您要落在哪兒您看著辦啊。然後第二顆電子又會通知第三顆電子:兄弟,我將會落在這個地方,您要落在哪兒您看著辦啊。然後第三顆電子做同樣的事情……

那電子又是如何選地方,即“看著辦”的呢?難道第500顆電子發射時,瞄了瞄屏幕上的狀況,嗯,這個地方好像稀疏了點兒,我奔那兒去吧!……

那干涉條紋的明暗條紋中的暗區呢?難道所有的光子都知道,哦,那裡是將會是最終形成的干涉條紋中的暗區,咱們都不要去那裡?!您現在都還沒形成干涉條紋,您就知道了將來會是怎樣?!

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

大家正陷入深深的思索當中,忽然一位大班的同學冷冷的說道:還有更難以理解的地方。干涉條紋形成的位置、寬度,是由波長、兩縫間距離,擋板和屏幕間的距離決定的。電子們是怎麼知道這些的?難道電子還會去量度這些不成?!好吧,我就算電子能知道自己波長,那它是怎麼知道兩縫間距離的?!電子又是怎麼知道擋板和屏幕間的距離的?!

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗

這位大班的同學,明年即將成為小學生的同學,果真大智若愚,重劍無鋒,直擊靈魂啊!頓時一道冷氣瀰漫在整個空氣中,每個人的臉色都凝重起來:這裡tmd到底發生了什麼,這裡tmd到底是什麼幼兒園啊!


只有一片寂靜沉默。

過了一會,另一位個頭更高的大班同學站了起來,緩緩說道:電子是沒有智慧的,它不會測量,也不可能知道上述數據。唯一的可能就是……他停頓裡一下,接著一字一頓地說道:單個電子自己和自己發生了干涉!

平行宇宙:科幻還是科學?(三):雙縫實驗


匪夷所思!

單個電子自己和自己發生了干涉?!意味著,當一顆一顆電子發射的時候,每一個電子同時穿過兩條縫,像發生干涉的必須條件——有兩處波源一樣,自己一下子創造兩個分身,分別穿越兩條不同的縫,從而發生干涉,形成最終的干涉條紋圖案?!

又是一片沉默。

許久,突然一個稚嫩的聲音打破了寧靜:我們小小班小朋友放學的時候,也是一個一個走的。如果一個小朋友回家有兩條路,他要麼走這條,要麼走那條,或者…呃…,兩條都走的話,那麼我們為什麼不跟著他走呢?這不就知道他是怎麼回家的嗎?

石破天驚!

對不起,我之前還說小小班的幼兒消化系統還沒完善,我得鄭重道歉。

對呀,既然科學家們有能力一顆一顆的發射電子,那麼為什麼他們就不能跟蹤一顆電子,看看它是怎麼走過這一路的呢?

科學家們,大聲告訴我,你的夢想是什麼?

科學家:……pardon?

科學家們,大聲告訴我,你們能做到嗎?

科學家:

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下期預告:

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