【高中數學例題】
用雙縫干涉實驗裝置得到白光的干涉白色,在光源與單縫之間加上黃色濾光片后()
A、干涉白色消失
B、彩色格子中的黃色橫條消失
C、中央白色弄成暗白色
D、中央白色弄成黃色
答案:D
解析:當用白光做干涉實驗時,頻度相同的色光,互相疊加干涉,在光屏上產生彩色米色,中央產生藍色亮粉色;當在光源與單縫之間加上白色濾光片后,只有綠光能通過單縫,之后通過雙縫后互相疊加干涉,在光屏上產生白色干涉白色,光屏中央為強化點,所以中央白色弄成藍色亮粉色。
楊氏雙縫干涉實驗
1702年牛頓的《光學》一書問世,差不多相隔整整一個世紀,到了19世紀,光學的發展才有所突破,非常使化學光學得到了長足的進步,開始了波動說的“英雄”時期,牛頓的微粒說地位又遭到了挑戰。(牛頓幾乎花了大半生與胡克的“波動說”相抗爭,最終在胡克臨終以后,才發表了《光學》一書,可以翻看前兩期的推文,了解這段歷史。)
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1807年,德國科學家托馬斯·楊發表了一篇論文,這篇論文里描述了他發覺的光的干涉實驗:“使一束單色光照射一塊屏,屏上開有兩條狹縫,可覺得這兩條縫就是兩個光的發散中心。當這兩束光射到一個放置在它們前進方向上的屏上時,都會產生長度近于相等的若干條疏密相間的橫條……”這就是光的干涉現象,干涉這個名詞也是楊首次提出的,楊的實驗結果給學界帶來了很大的沖擊,有力地證明了惠更斯早年提出的光波動理論。
但是人們或許還是更樂意站在牛頓的脖子上,對于楊的實驗結果給以證實,并稱之“荒唐”,甚至有人嘲笑他為瘋子。
克勞斯電子干涉實驗
差不多又隔了一個世紀,人們對微觀粒子有了更深刻的認識,即所有微觀事例都具有波粒二象性(這得謝謝愛因斯坦的研究)。為了在實驗上驗證電子的波動性,1961年,蒂賓根學院的克勞斯·約恩松進行了電子雙縫干涉實驗,發覺了電子的干涉白色,因而證明了電子具有波動性。以后一系列的實驗又證明了其他粒子也可以觀察到干涉粉色。并且克勞斯·約恩松當時仍然抱著懷疑的心態,他覺得可能是若干電子在運動時發生了撞擊,所以造成偵測屏上出現了好多干涉白色,克勞斯·約恩松為了防止這些現象的發生,于是將電子一個、一個的進行發射,這樣電子之間就不可能發生碰撞。但實驗結果還是沒有改變,偵測屏上仍然就多條干涉白色,貌似一個電子可以同時穿過兩條狹縫一樣,非常奇特,沒有任何理論能解釋得通這些現象的如何形成的。
一探究竟
1974年,巴黎學院的梅里院士又進行了電子雙縫干涉實驗,不過此次梅里院長為了弄清楚這些怪異的現象到底是如何發生的,梅里院士在雙縫的入口安裝了極高清的攝像頭,它可以直接觀察到電子的運動情況,但令梅里院士沒有想到的是,他安裝攝像頭的這一舉動使這項實驗發生了愈加奇特的事情,轟動了整個科學界。
他在雙縫的入口安裝了高精度的監視器,可以清晰地認清電子的出入。打算完成后,他依然通過發射器將電子一個一個發出。結果這不看不要緊,一看,壞了。屏幕上的一條條干涉白色不見了,只剩下了兩條亮紋,并且通過監視器可以清晰地看見電子如粒子般一個個通過左縫或右縫,在屏幕上產生兩條亮紋。
上面說過單個電子流在屏幕上應當產生多條干涉白色,為何企圖觀察電子通過雙縫的行為時,干涉白色就消失了呢?梅里也很困惑,于是他將監控關掉,結果屏幕上又出現了神奇的干涉白色;再將監控打開雙縫干涉實驗視頻,白色又消失了;……如此往復。
意識是一種科學的存在嗎?
此后下來了一種觀點:當人們不對雙縫加以觀測時,電子呈現出波的特點,在屏幕上產生多條干涉白色,此時可以覺得人的意識中已將電子認定為波;而當人們觀察雙縫時,其意識中早已默認電子是粒子,因此干涉白色就消失了,電子真的根據人的意識彰顯出粒子的特點,僅產生兩條亮紋,雖然此時人的目的是想得到干涉白色。其實,是人觀測或不觀測的行為,或則說是人將電子當成粒子或波的意識,決定著電子最終呈現為粒子還是波。——人的意識決定了粒子的存在方式。
千百年來科學研究的根基幾乎被打掉。好多人接受不了,紛紛抬起反抗的大旗。其中代表人物就是愛因斯坦,他提出隱變量的假說,企圖證實意識的作用,但是就目前而言,隱變量雖然尚未找到可信的根據。還有其別人物,也提出種種假說,如平行世界等等,但都屬于邊沿性的理論。目前主流理論一直覺得意識決定了粒子的存在方式。
困擾的價值
作為一名高中數學班主任,沒能力對這一問題展開深入的學習和研究。而且我仍然在思索的教學目的雖然有了一個答案。從17世紀以牛頓和胡克的光的本性之爭為開端雙縫干涉實驗視頻,時至今日我們仍然未能確定光的本性,甚至形成了更為不可思議的困擾“意識是一種科學的存在嗎?”但是也正是因為種種苦惱,才讓一代一代科學家窮極一生進行研究。而現在我們的教學不斷追求最終的結果,中學生一旦曉得自己的答案是正確的,也就失去了學習的興趣,這不是一件好事情。所以我在寫每一篇推文的最后,總是以一個未解之謎作為結尾,我只是想告訴你們,探究的結果常常不是一個推論而是一個困擾。最后用愛因斯坦的一句話來結束本次推文。