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双缝实验

时间:2013-07-01来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

双缝实验

在量子力学里,双缝实验(double-slit experiment)是一个测试量子物体像光或电子等等的波动性质与粒子性质的实验。双缝实验所需的基本仪器设置很简单。拿光的双缝实验来说,照射相干光波于一块内部刻出两条狭缝的不透明挡板。在挡板的后面,摆设了照相底片或某种侦测屏,用来纪录通过狭缝的光波的数据。从这些数据,可以了解光波的物理性质。参阅图 (1) ,光波的波动性质使得通过两条狭缝的光波互相干涉,造成了显示于侦测屏的明亮条纹和黑暗条纹,这就是双缝实验著名的干涉图案。可是,实验者又发觉,光波总是以一颗颗粒子的形式抵达侦测屏。
 
假若,光波是以粒子的形式从光源移动至侦测屏,那么,根据经典理论,抵达侦测屏某一位置的粒子数目应该等于在路途中,通过左狭缝的粒子数量与通过右狭缝的粒子数量的总和。换句话说,在侦测屏的任意位置,其明亮度应该等于遮掩左狭缝后的明亮度与遮掩右狭缝后的明亮度的总和。但是,实验者发觉,当两条狭缝都不被遮掩时,侦测屏某些位置会比较明亮,某些位置会比较黑暗。这图案只能用波动的建设性干涉和摧毁性干涉来解释,而不是粒子数量的简单加法。
 
双缝实验也可以用来测试像电子一类的粒子的物理行为,虽然使用的仪器不同,都会得到类似的结果,显示出波粒二象性。
 
理查德·费曼有一句他很喜欢的名言:仔细地思考双缝实验的意义,我们就能够一点一滴的了解整个量子力学。透过双缝实验,我们可以明了量子世界的真谛。
双缝实验示意图
图 (1) ,双缝实验示意图,从光源 光源 传播出来的相干光波,照射在一块内部刻出两条狭缝 两条狭缝 和 两条狭缝 的不透明挡板 不透明挡板 。在挡板的后面,摆设了摄影胶卷或某种侦测屏 F ,用来纪录到达 F 的任何位置 d 的光波数据。最右边黑白相间的条纹,显示出光波在侦测屏 F 的干涉图案。

最新发现

一块内部雕刻出两条狭缝的不透明挡板
图 (2) ,一块内部雕刻出两条狭缝的不透明挡板
自从哥本哈根诠释开始,物理界广泛地存在一种误解,那就是,为了决定光子从那一条狭缝经过而做的任何对于实验仪器的修改,也会连带地摧毁了干涉图案。这样,显示出粒子与波动的互补原理 (principle of complementarity)。于 1987 年完成的一个实验首先地发现了一个惊人的结果,那就是,哥本哈根诠释研讨的测量实验参数,只是一个连续值域的两个极端值。哥本哈根诠释忽略了其它在两个极端值之间的案例。假设,稍微改变参数值,则干涉图案也不会变得相差很大。在此之后完成的许多类似实验,也都证实了这实验的结果。请注意到,这些实验的实验者都能够在同一个实验里,观测到粒子现象和波动现象(例如,外村彰博士的电子双缝实验影音短片)。
 
本篇文章的许多论点可能会与这最新发现的结果有很大的落差。若有任何落差,最新结果应是比较及时的资讯。

概述

狭缝干涉实验
图 (3) ,狭缝干涉实验,单缝 Vs. 双缝。两个实验都使用同样的双缝挡板(狭缝与狭缝距离为0,7mm)。在做单缝实验时,只有一条狭缝是打开的。单缝的干涉图案,一个主条纹和两旁较黯淡的条纹,也可以在双缝的干涉图案看到。但是,双侠缝的干涉图案显示出两倍的光强度,而且还出现了许多小干涉条纹。
 
如图(3) 所示,通常当只打开一条狭缝的时候,侦测屏会显示出单缝衍射的干涉图案,一条处于中央,比较明亮的条纹,旁边衬托著几条越来越黯淡的条纹。当打开两条狭缝的时候,侦测屏会显示出更明亮的干涉图案,每一条原本条纹都会进一步分裂成几个较细条纹。于 1803 年,托马斯·杨发表了一篇论文,《Experiments and Calculations Relative to Physical Optics》,详细阐述这些实验结果。根据光波是波动传播于媒体之间的假设,这些实验结果都可以用惠更斯-菲涅耳原理来解释清楚。但是,1887 年的光电效应发现,使得物理学家必须超越经典力学,更仔细地思考光的量子性质。
 
假设,我们稍微改变双缝实验,添加一个侦测仪器,专门侦测光子到底通过哪一条条纹,使我们能够知道光子通过的是那一条狭缝。那么,干涉图样会完全消失,我们不再能观测到干涉图样;替代显示出的是两个单缝图案的简单相加。这反直觉的而又容易制成的结果,给予物理学家无限的困惑。
 
假设,对于原本的双缝实验稍加变化。在任何时间,只发射一个光子。累积许多光子于摄影胶卷,我们会得到一个最令人迷惘的实验结果:干涉图案仍旧不改变。很清楚地,这意味着,虽然只有一个光子在移动,这光子的波包可以同时通过两条狭缝,自己与自己互相干涉!类似地,电子、原子、甚至分子,都可以表现出这奇异的量子行为。
单缝衍射图案
图 (4) ,单缝衍射图案
双缝衍射图案
图 (5) ,双缝衍射图案
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