理论教育 电子双缝试验的优化方案

电子双缝试验的优化方案

时间:2023-07-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:该观点得到了大多数物理学家的支持,同时也给予学界一个重新审视杨氏双缝试验的机会,只不过这一次是用电子而非光来进行试验。梅利团队完美展示了量子物理学所预测的奇特波粒二元性能够通过试验来证明。参考阅读//No. 59 光的波动说,第122页虽然量子物理学作出的预测极其大胆,令人难以置信,但电子双缝试验还是证实了其中的一些预测。

电子双缝试验的优化方案

展现了量子世界的古怪

20世纪30年代后期,尽管量子理论似乎暗示了世界能够以一种无意义的荒谬表现形式存在(参考阅读:薛定谔的猫,第162页),许多科学家也都已准备好接受它。该理论流行的原因很简单:尽管存在明显的悖论,量子理论还是能够准确预测出试验结果。电子双缝试验就是最好的例证之一。

19世纪早期,托马斯·杨就已经强有力地证明了光在通过两条缝隙时会相交并相互作用,正如水波通过两条缝隙时会产生的结果。这表明了光就是一种波。然而,随着量子理论的出现,物理学家们逐渐接受了光实质上同时以波和微粒(后来被称为光子)两种形式存在的观点。

20世纪20年代初,路易斯·德布罗意提出,这种“波-粒二元性”对所有微粒都适用。该观点得到了大多数物理学家的支持,同时也给予学界一个重新审视杨氏双缝试验的机会,只不过这一次是用电子而非光来进行试验。

20世纪60年代早期,克劳斯·荣松和他的同事们成为第一批进行该试验的科学家。他们发现,当电子穿过两条缝隙时会产生一种波状的干扰纹,正如杨氏所发现的光的表现结果一样。大约10年之后,皮尔·乔治·梅利(Pier Giorgio Merli)和他的同事在1974年重新进行了荣松的试验。不同的是,他们这次使用了一种可以一次向两条缝隙射出一个电子的装置。只有每一个电子都同时表现为波状和微粒状的形式,试验结果才解释得通。梅利团队完美展示了量子物理学所预测的奇特波粒二元性能够通过试验来证明。

一个单独的电子“微粒”同时可以表现为波状,在通过双缝时自发产生“冲刷”效果。(www.daowen.com)

梅利和他的同事对着留有双缝的屏幕一次射出一个电子。按直觉来说,每一个电子微粒都会穿过其中一条缝隙打在后面的探测器上。这也是试验团队所发现的结果。但当科学家们向双缝发射出数万个电子之后,屏幕上的小圆点便积累成了一根根条状物,即波状的干涉纹。于是他们得出结论:每一个电子“微粒”都曾具有较宽的波状表现,同时对双缝产生“冲刷”的作用。在双缝的远端,一个给定电子的两套“涟漪”就会像水波一般相互干扰。然而,当这些涟漪抵达探测器时,它们就会归化成一个单独的粒状圆点,其归化的位置则由波状干扰纹决定。

参考阅读//

No. 59 光的波动说,第122页

虽然量子物理学作出的预测极其大胆,令人难以置信,但电子双缝试验还是证实了其中的一些预测。

对于物理学家们来说,所见即所信。

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