通過中學物理學習我們知道,干涉和衍射是波的性質,什么是衍射?波可以繞過障礙物繼續傳播的現象叫做波的衍射。什么是干涉?頻率相同的兩列波疊加時,會產生加強和減弱現象叫做波的干涉。
經典波動理論可以很好的解釋波的干涉和衍射現象,一直以來,科學家們對物質的波動性和粒子性區分很明確,認為實物粒子只有粒子性,波只有波動性,但對光是具有波動性還是粒子性一直爭論不休,這個爭論直到愛因斯坦斯坦提出的“光電效應方程”解決了光電效應問題才告一段落,現在我們認為是光具有波粒二象性(即光具有波動性和粒子性)。
看到愛因斯坦利用光電效應方程解決了光電效應問題,德國物理學家德布羅意提出“物質波”假設,他認為實物粒子也具有波動性,這在當時是顛覆人們認知的,最后他的這個假設被實驗證實,并且由于這個假設獲得諾貝爾物理學獎。
上面說了這么多,現在開始進入主題,科學家們通過電子的雙縫干涉實驗,觀察到了明暗相間的干涉條紋,從而證實了電子具有波動性,即實物粒子具有波動性。
電子具有波動性,當電子通過雙縫時,兩個電子打在光屏上干涉加強,就在光屏上形成了亮條紋,如果干涉減弱,就形成干涉減弱的暗條紋。這是波動理論的解釋,實驗結果也是這樣的。科學家們又想,如果讓電子一個一個的釋放,讓它們一個一個的通過雙縫,是否也會出現干涉條紋呢?根據波動理論是不會出現干涉條紋的,因為要出現干涉條紋必須要兩個電子,但科學家們做實驗的結果顯示,確實出現了干涉條紋!這就奇了怪了,難道電子和自己干涉?或者電子同時通過雙縫?
為此,科學家們改進實驗,巧妙的獲取電子的路徑信息(標記電子,知道電子從哪個縫通過),但詭異的發現,只要知道電子從哪個縫通過,干涉現象就消失,但如果實驗不知道電子從哪個縫通過,干涉現象出現,電子好像在玩躲貓貓的游戲。
實驗結果使宏觀世界的邏輯甚至因果律都顛覆了,感覺非常荒謬,微觀領域的粒子行為從宏觀角度看,往往就是不可思議,但從量子力學中不確定性原理可以隱約感到微觀粒子的這一特性,根據不確定性原理,對于微觀粒子的位置和動量是不可能同時確定的。單電子雙縫干涉實驗是不是也存在這樣,不可能同時確定電子的路徑信息和干涉信息,你知道路徑信息(粒子性),電子就給你顯示粒子性,你不知道路徑信息,就給你顯示干涉條紋(波動性),電子不會同時給你顯示粒子性和波動性。
也許這是微觀粒子的“固有屬性“,這一特性可以讓人類有無限遐想,如果突破對這一屬性的研究,可能將對宇宙的起源、這個世界是什么樣子的、我是誰、從哪里來、該去何方等等的這一類的哲學問題將會給出答案。
雙縫干涉(一)
雙縫干涉(二)
雙縫干涉(三)
雙縫干涉(四)
雙縫干涉(五)