是波、是粒,还是波粒二象?大家决定,用一个简单的实验来做个了断:双缝干涉。
双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。用一个发射光子的机枪 对着双缝扫射,从缝中漏过去的光子打在缝后面的屏上,就会留下一个个小光点,代表每个光子的位置。
记录光点的方法很多,为了节省脑细胞,我们就把屏幕看作是老式胶片的那种:当光子接触屏幕时,被光子击中的一小块胶片瞬间发生感光反应(曝光),这一点上的光点(影像)就被永久性地记录下来。
抛开技术细节不谈,你只需要记住一个基本事实:屏幕记录的光点代表已经发生的事实,它不可能在实验结束后再发生变化,正如我们没法穿越到过去篡改历史一样。
在实验开始之前,科学家的推测如下:
第一种可能:如果光子是纯粒子,那么屏幕上将留下两道杠。
光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是两道杠,因为其他角度的光子都被隔板挡住了。
第二种可能:如果光子是纯波,那么屏幕留下形同斑马线的一道道条纹。
光子穿过缝时,会形成两个波源。两道波各自振荡交会(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹),和水波的干涉现象如出一辙。
第三种可能:如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。
总之:
两道杠 = 粒派胜
斑马线 = 波派胜
四不像 = 平局
是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然。无论实验结果如何,都在我们的预料之中。
第一次实验现在开始:把光子发射机对准双缝发射。
结果:标准的斑马线。
根据之前的分析,这证明光是纯波。OK,实验结束,波派获得了意料之中的胜利,大家回家洗洗睡吧。
等等!粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样?一定会变成两道杠的!
第二次实验:把光子机枪切换到点射模式,确保每次只发射一个光子。
顺便说一句,控制光子机枪每次只发射一个光子可真是个技术活。要知道,你随手打开台灯的一瞬间跑出来的光子数量,就多达1后面跟20多个0!
在100多年前的初代单光子双缝干涉实验中 ,开启点射模式更是一个艰巨的工程。首先要把光源强度降到极弱,然后用多层烟熏玻璃(俗称土制墨镜)过滤光源,确保在同等强度的光源下,一次最多只射出1个光子,而大部分情况下连1个光子都射不出来。所以,这架古董级光子机枪要酝酿很久才能来一发,实验做一次得等上3个多月……
结果终于出来了:斑马线。
居然还是斑马线?
怎么可能?!
我们明明是一个一个把光子发射出去的啊!!!
最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随着积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!
注:①实际上,这是电子双缝干涉实验的结果。作者之所以敢用电子实验图来冒充光子,是因为各种不同实验都表明,微观粒子普遍具备波粒二象性,用任何粒子做双缝干涉实验都会出现等效的干涉条纹。
光子要真就是波,那粒派也不得不服。可问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝,要么穿过右缝,只穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?隔壁缝的老王吗?
难道……光子在穿过双缝时自动分裂成了两个?一个光子分裂成了“左半光子”和“右半光子”,自己的左半边和右半边发生了关系?
事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要亲眼看看,光子究竟是怎样穿过缝的。
第三次实验:在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是以点射模式发射光子。
结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,既没有发现两边同时冒出来两个光子,也从没见过哪个光子分裂成两半的情况。
大家都松了一口气。光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成波的形态同时穿过两条缝,形成干涉条纹。虽然诡异了些,不过据说这就是波粒二象性了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要“精分”了。
就在这时,真正诡异的事情发生了……
人们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠,原来的干涉条纹消失啦 !
没用摄像头看(实验1、实验2),结果总是斑马线,光子是波;用摄像头看了(实验3),结果就成了两道杠,光子变成粒子。
实验结果取决于我看没看?
光到底是波还是粒子,取决于我看没看?
这不科学啊,做个物理实验竟然见鬼了啊!
一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界科学家都蒙了。
这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。