漫步于人类探索自然的悠悠岁月长河里, 有一个疑问一直盘旋在顶尖物理学家的心间, 激发着无穷的痴迷、争辩以及困惑, 那便是: 光是粒子, 还是波呢?
传奇荣耀不断，全新玩法大揭秘
这一看起来好像挺简单的问题, 于物理学界引发了持续长达数百年之久的波动。在经典物理学所构建的框架范围之内, 波跟粒子是两个界限极为清晰明确的概念, 波是振动进行传播的方式, 具备能够叠加、产生干涉以及出现衍射这样的特性, 粒子却是拥有确定体积以及质量的实体, 能够被确定位置、发生碰撞。一个事物怎么会有可能既是粒子同时又是波呢, 这不但违背了物理学家们秉持的严谨逻辑认知, 更是跟我们日常生活当中的经验完全不相符合。毕竟, 我们从来都未曾见到过一个物体, 既能够像水波那样进行扩散, 又能够像玻璃球那样发生撞击。
这场围绕光的本质展开的争论, 不是一下子就完成的, 而是跟随着一回回实验取得突破以及理论发生转变时, 持续得到推进、逐渐实现升级的。从最开始的哲学视角深度思辨, 到近代时期进行的科学方面的实验, 再到量子力学得以诞生的这个过程, 光那带着神秘色彩的遮盖物被一层一层地揭去, 然而却又展现出让人更加感到极大震撼的真实情况了。若想去理解这场争论的核心, 那我们就得从那些关键的实验开始说起, 还有背后的物理学家们, 其中, 最具代表性，且最能够颠覆一般认知的, 那得说是双缝干涉实验, 就是这个被费曼称作是“量子力学核心实验”的经典案例, 它几乎囊括了量子世界里所有的诡异之处与神奇特性。
早在17世纪的时候, 物理学界便已然形成了两大处于对立状态的阵营, 分别是“粒子派”以及“波动派”。而那个时候身为科学巨匠的牛顿, 则是“粒子派”的坚定不移的支持者。
他持有这样的看法, 光应当是经由无数微小粒子构成的, 那些粒子顺着直线进行传播, 在它们碰到障碍物之际, 会出现反射以及折射的情况, 这同样能够对我们日常所见到的影子、镜面反射等现象做出很好的解释。牛顿在当时所具备的影响力极为重大关键, 其“微粒说”因而占据了主要的地位, 掌控物理学界长达百年的时间。
荷兰物理学家惠更斯, 与牛顿处于同一时代, 他提出了完全不一样的“波动说”。他觉得, 光跟声音相同, 是一种机械波, 要借助一种叫作“以太”的介质来进行传播。
惠更斯运用波动说成功阐释了光的折射跟衍射现象, 不过鉴于当时实验条件存在限制, 再加上牛顿拥有权威光环, “波动说”一直处于弱势状况。直至19世纪初, 英国物理学家托马斯·杨借助一个简单且极具说服力的实验, 为“波动说”抢回了关键一局, 此乃早期双缝干涉实验的雏形, 也被称作“杨氏双缝实验”。
托马斯·杨所进行的实验设定并非繁杂, 甚至于在当下的物理实验室当中, 我们能够轻轻松松地去重新复制。
这次实验所用到的、处于核心地位的装置总共具有三个部分情形, 其一, 是那种能够发射出单色光的光源, 其二, 是有一块专门刻着两条呈现平行状况一般的狭缝的挡板, 其三, 还有一块专门用来去接收光信号的屏幕。
在实验正式开启之前, 托马斯·杨实际上先行开展了单缝实验用以作为预先的铺垫准备，而这一步着实为往后陆续出现的争议暗中埋下了潜在的伏笔。当他把光源予以开启, 使得光能够照射进入到单条狭缝之上的时候, 狭缝后面所放置的屏幕之上呈现出了一条处于中间位置明亮清晰、朝着两侧方向渐渐变得暗淡的条纹。这样一种现象在波动理论范畴当中是极易进行解释说明的, 光作为一种具有波动性质的波, 当它在穿过狭窄的缝隙之时, 会产生衍射的相关情况, 就如同水波穿过窄缝之后会朝着四周各个方向进行扩散开来一样, 最终在屏幕之上形成具有衍射特征的条纹。
“波动派”因单缝实验的结果看到了希望, 然而接下来的双缝实验, 却给“粒子派”带来了沉重打击。托马斯·杨把单缝换成双缝后, 再次打开光源, 神奇现象出现了, 屏幕上未出现两条对应的亮条纹, 而是呈现出一系列明暗相间的平行条纹, 这便是典型的干涉条纹。
这种条纹得以形成, 乃是波所具备的独特属性, 当两列频率一致、振动方向相同的波彼此相遇之际, 便会产生叠加现象。波峰与波峰叠加之时, 亮度有所增强, 进而形成亮条纹；波峰与波谷叠加之时, 会相互抵消, 从而形成暗条纹。恰似我们于水池当中同时抛下两个石子, 它们的水波相遇之后会形成交错的干涉图案那般, 光的双缝干涉现象, 如果确实无疑地证实且表明了光存在波动性。
托马斯·杨的实验结果, 在物理学界引发了极大的轰动, 使得“波动说”渐渐取代“微粒说”, 成为主流看法。此后, 法国物理学家菲涅尔, 进一步完善了波动理论, 运用数学方法, 严谨地推导了光的干涉以及衍射规律；英国物理学家麦克斯韦, 凭借电磁场理论, 预言了电磁波的存在, 还指出光实际上是一种电磁波——这一预言, 后来被德国物理学家赫兹利用实验证实了。到了19世纪末的时候, “波动说”已经将完整的理论体系给成功建立起来了, 它能够把当时已知的所有光学现象进行完美解释, 然而“粒子说”好像是被完全打入寒冷不受关注的境地了。那个时候的物理学家们普遍都持有这样的看法, 在光的本质方面的争论已经有了结果, 即光就是一项波。
然而, 事情并非如此轻易。就在“波动说”看似胜券在握之际, 一系列全新的实验现象却致使物理学家们陷入了新的迷茫之中。19世纪末, 科学家们于研究热辐射现象之时发觉, 经典的波动理论难以阐释“黑体辐射”的实验结果该结果即著名的“紫外灾难”。为了化解这道难题, 德国物理学家普朗克于1900年提出了一个大胆的假定能量并非连续的, 而是由一个个不可再分的“能量子”构成这些能量子后来被称作“光子”。普朗克提出的量子假设, 成功地对黑体辐射现象作出了解释, 然而, 在当时那个时候, 他并未察觉到, 这个假设正不动声色地颠倒整个经典物理学赖以存在的根基所在之处, 并且还为“粒子说”的再度兴起埋下了可供生长的种子, 这是一个不容忽视的现象！
真正让“粒子说”卷土重来的，是爱因斯坦。
1905年, 爱因斯坦对“光电效应”现象作出解释, 于此过程中, 他进一步发展了普朗克的量子理论。
《传》176怀旧版，带你重温经典，热血再战！
光电效应所指的是, 其为这样一种情况, 即当光照射至某些金属的表面之时, 此时会出现有电子自金属表面逸出的现象。依据波动理论来讲, 光的强度若是变得越大, 那么其所具备的能量也就会越高, 按照此理论, 逸出的电子动能亦应当是越大的。然而, 实际的实验结果却表明, 逸出电子的动能仅仅是与光的频率存在关联, 和光的强度并无关系；并且, 存在这样的情况, 只有当光的频率超过某一个临界值的时候, 才会有电子逸出。
爱因斯坦提出, 为解释这一现象, 光不仅于发射和吸收之际具有粒子性, 就连在传播进程里也具备粒子性, 光乃由一个个光子构成, 每个光子的能量跟光的频率成正比例关系。致使当光子照射至金属表面之时, 会和金属当中的电子发生碰撞之交, 去把能量传递给电子。要是光子的能量充足大, 电子便得以克服金属的束缚, 进而逸出其表面范畴。爱因斯坦的“光子说”成功地对光电效应做出了解释说明, 并且还使得“粒子说”再度回归到物理学家们的视野范围之中哟。
到了这个时候, 物理学领域陷入进了一种令人尬尴的状况之中: 光的干涉现象、衍射现象, 证明了光是具具有波动性的, 可是光电效应之现象、黑体辐射现象, 却证明了光拥有粒子性。两种看起来存在矛盾的属性情况, 居然是共同存在于光的身上。这使得物理学家们内心感到格外困惑不已道: 光究竟到底是粒子还是波? 为了能够完完全全地解决掉这个问题, 他们把目光再次投向了那个经典滴老试验——双缝干涉实验。这一回他们选定决定去对实验开展改良之举, 采用使用更精密的装置及更严谨的操作方式, 去揭开光那种本质的神秘面纱。而这一次改良实验物理学家赫兹，却让他们看到了足以颠覆世界观的诡异现象。
作为改良版本的双缝干涉实验, 其核心思路为“单个光子发射”。鉴于“粒子派”秉持光是由光子构成之心, 那么倘若使光子逐个通过双缝, 将会产生怎样的结果呢?
日常生活里, 我们极易做出判断, 要是向双缝持续发射玻璃球, 每个玻璃球只会穿过其中一条缝, 最终于屏幕上形成两条对应的亮条纹。如此, 光子作为一种“粒子”, 也理应出现相同结果。为达成“单个光子发射”, 物理学家们设计了极为精密的光源装置, 可控制光子发射频率, 保证每次仅有一个光子通过双缝——关于具体怎样实现, 我们无需纠结技术细节, 只需信赖物理学家们的智慧就行。
实验开启之后, 物理学家们抑制住呼吸, 凝望着屏幕之上的变动。首个光子穿过双缝, 于屏幕之上留下了一个闪光点；第二个光子穿过双缝, 于屏幕之上留存下了另外一个闪光点；伴随时间的持续推进, 越来越多的光子穿过双缝, 屏幕之上的闪光点也越发增多。
一开始, 这些亮点分布, 看上去毫无规律可言, 然而, 当光子数量抵达一定程度之际, 一个奇妙的图案现身了, 屏幕之上居然呈现出多个亮暗交替的分明的干涉条纹！
所有物理学家, 对这个结果, 都大吃了一惊, 甚至, 感到难以置信；要晓得的是, 干涉条纹, 乃是波的特有属性, 只有在两列波相遇之时, 才能够形成；而在这个实验当中, 光子是一个照一个发射出来的, 也即是讲, 每个光子, 于通过双缝之时, 并无其他光子, 与之“相遇”；那么, 干涉条纹, 究竟是怎样形成的呢；唯一的解释便是: 每个光子, 都同时通过了两条狭缝, 随后, 与“自己”发生了干涉！
这么个解释听起来算得上是匪夷所思至极, 甚至于违背了基础核心的逻辑的常识。一个粒子怎么会能够同时通过两条狭缝? 恰似有一个人是不可能同时从两座门里走进所在的屋子一样。然而实验所呈现的最终结果却是就摆在那儿, 不允许去怀疑去质疑。物理学的这个领域一下子就沸腾了起来, 这样一个十分诡异的让人难以想象的现象把所有人都弄得措手不及。原本的话, 物理学家们开展这个具有相应目的的实验是目的是为了去验证光究竟到底是粒子还是波这种情况, 没料想到实验最终呈现的结果不但没有将问题给处理好得予以解决掉, 反而抛出来了一个更大更棘手的难题: 光子究竟到底是怎样同时通过两条狭缝的?
针对这个怪异的问题, 物理学家们想出一个貌似简单的解决对策, 即, 既然我们要晓得光子是从哪条缝穿过的, 那就径直去观测好了, 于是, 在狭缝附近安装一个高精度的摄像头, 实时记录光子的运动路径, 这样不就能搞明白光子究竟是穿过了一条缝还是两条缝吗, 这个想法看似符合道理, 并且实施起来也并非无法做到了, 所以, 物理学家们对实验装置做了改动, 往双缝旁边安装了摄像头, 接着再度开展单个光子的双缝干涉实验。
然而, 于此次实验里面, 物理学家们把实验对象从光子换成了电子。之所以挑选电子, 是由于电子具备质量与电荷, 更易于被观测；而光子自身便是光, 我们若要观测光子, 就得有其他的光反射至眼睛里, 这会对实验本身产生干扰——要是观测所用的光照射到了实验里的光子, 便会改变光子的运动状态, 致使实验结果失准。而电子却不一样, 我们能够通过电场、磁场等方式去探测它的运动轨迹, 不会给实验带来太大的干扰。诚然, 物理学家们已然证实, 电子如同光子那般, 同样具备波动性与粒子性, 故而运用电子去开展实验, 其结果是具备代表性的。
进行再次实验, 物理学家们开启摄像头, 凝视着电子的运动轨迹以及屏幕上的变动。此次的情况是, 奇妙的事情出现了: 摄像头清楚地记录下每个电子的运动轨迹, 每个电子仅仅通过了其中一条狭缝, 不是左缝便是右缝, 从未有过同时通过两条缝的情形。并且更令人惊愕的是, 屏幕上的干涉条纹居然非凡地消失了, 被两条清晰的亮条纹所取代——恰似我们发射玻璃球时呈现的结果那般！
物理学家们把摄像头关闭后, 再次开展实验, 这时, 诡异现象再度出现, 屏幕上那两条亮条纹又没了, 取而代之的竟是原本的干涉条纹！如此结果令物理学家们觉得毛骨悚然；难道我们的观测举动, 真的会对电子运动状态产生影响? 没进行观测时, 电子可以同时穿过两条狭缝, 展现出波动性, 然而一旦我们开始观察, 电子好像知道有人在瞧它, 便乖乖地“排队”经由其中一条狭缝穿过, 呈现出粒子性。电子难道具备“意识”, 能感知到我们的观测行为?
面对这样疑惑, 物理学家深感困惑, 引发无尽思考。若观测行为会左右电子状态, 那此影响怎样产生? 是观测设备对电子施加破坏, 还是意识可以影响物质状态? 为解开这一点, 物理学家构思颠覆性实验——延迟实验, 其思路是, 把观测行为延迟至电子穿过双缝后、抵达屏幕前实施。如此, 电子穿过双缝时, 观测行为尚未发生, 其状态理应已然确定了。如果此时再进行观测，会不会改变已经发生的事情呢？
在延迟实验里, 其装置相较于之前的实验, 要更为精密, 物理学家们于双缝以及屏幕之间实验物理学家赫兹贝语网校，安装了一个具备可控制功能的观测装置, 该装置能够在电子已然通过双缝之后, 瞬间达成开启或者关闭观测的操作。在实验开启之后, 物理学家们起初并不开启观测装置, 以此让电子通过双缝。依据之前的实验结果, 在这个时候, 电子理应会同时通过两条缝, 而后展现出波动性, 进而屏幕上会出现干涉条纹。当电子已经通过双缝, 且尚未到达屏幕之际, 物理学家们忽然开启观测装置, 目的是想瞧瞧电子究竟是怎样通过双缝的。
结果, 诡异之事再度发生咯: 观测装置开启之际, 屏幕上的干涉条纹刹那间没了, 变成两条亮条纹；观测装置关闭之时, 屏幕上又再次呈现出干涉条纹。此结果把我们原本对因果律的认知给完全颠覆。
于经典物理学的框架范围之内, 因果律是绝不可被撼动的, 原因处于前面, 结果处于后面, 结果是不可能对原因产生影响的。然而在延迟实验当中, 电子经过双缝是所谓的“原因”, 屏幕之上出现的条纹是所谓的“结果”, 而我们的观测行为发生于“原因”之后、“结果”出现之前。这也就是说, 后发生的观测行为, 居然改变了先发生的电子通过双缝的状态！结果影响了原因, 这实在是令人觉得疯狂至极的！
物理学界因延迟实验的结果而身处极大争议当中, 该实验催生出量子力学核心理论之一即哥本哈根诠释。
「新服网」新开传私网站_新开传服奇服网站
哥本哈根学派, 以玻尔作为代表, 持有这样的观点, 在量子的世界当中, 存在微观粒子, 就如电子、光子这类, 在其还没有被观测以前, 并不存在确定状态情况, 而是处于一种所谓“叠加态”, 这意味着, 它会同时拥有多种多样可能的状态。
相似于在双缝实验里, 电子于未被观测之际, 处于那般“同时通过左缝以及右缝”的叠加状态, 所以会展现出波动性, 进而形成干涉条纹, 然而一旦我们针对它展开观测, 这种叠加状态便会瞬间“坍缩”, 粒子会从诸多可能的状态之中确定其一, 呈现出粒子性。