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為何單個(gè)電子通過(guò)雙縫會(huì)發(fā)生干涉?

 宇宙時(shí)空探索 2022-06-07 發(fā)布于河南

無(wú)法理解單電子雙縫干涉是因?yàn)橄热霝橹鞯卣J(rèn)為電子是一個(gè)有著確定軌跡的微小球體。而認(rèn)為微觀物質(zhì)的行為無(wú)法理解,其實(shí)是因?yàn)榘押暧^世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律想當(dāng)然地安放到了微觀物質(zhì)上。在宏觀世界中,“一個(gè)粒子是有著確定軌跡的微小球體”這一點(diǎn)是正確的。但是沒(méi)有任何的證據(jù)顯示,微觀物質(zhì)也是如此。說(shuō)到底,我們對(duì)世界的了解完全出自實(shí)驗(yàn)?;蛘哒f(shuō),只有通過(guò)實(shí)驗(yàn),才能知道這個(gè)世界到底是什么樣子的。

為何單個(gè)電子通過(guò)雙縫會(huì)發(fā)生干涉?

嚴(yán)格地說(shuō),我們不知道,而且我們永遠(yuǎn)也不會(huì)知道。

當(dāng)然,說(shuō)到這,肯定會(huì)有人反駁:“單電子雙縫干涉是因?yàn)殡娮泳哂胁6笮浴?、“用量子力學(xué)就可以解釋”云云。不過(guò)先別急,容我慢慢說(shuō)來(lái)。

很多人認(rèn)為物理學(xué)(或者說(shuō)科學(xué))是探索世界的真理,尋找宇宙的本質(zhì)的。但是,這樣的想法并不對(duì)。物理學(xué)能做的、一直在做的其實(shí)只是更好的描述這個(gè)世界的運(yùn)行規(guī)律,而各種各樣的理論是人類為了描述自然規(guī)律建立起來(lái)的一套工具。你只能說(shuō),這個(gè)理論所給出的結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)符合得很好,但你不能說(shuō)這個(gè)世界就是按照你的理論運(yùn)行的。世界有自己的運(yùn)行規(guī)律,而我們能做的就是盡可能精確的描述這樣的運(yùn)動(dòng)。比如說(shuō)用牛頓萬(wàn)有引力定律描述天體運(yùn)動(dòng),用量子力學(xué)/量子場(chǎng)論描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。這里的萬(wàn)有引力定律、量子力學(xué)等等都是理論。

所以再回到問(wèn)題:為何單個(gè)電子通過(guò)雙縫會(huì)發(fā)生干涉?

回答就是我們不知道,這個(gè)宇宙就是這個(gè)樣子的。我們不僅不知道這個(gè),也不知道為什么地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn),也不知道地球上物體為什么會(huì)下落等。地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn),牛頓認(rèn)為是因?yàn)槿f(wàn)有引力,但是這是本質(zhì)嗎?我們可以問(wèn)為什么有質(zhì)量就可以產(chǎn)生引力?廣義相對(duì)論認(rèn)為,這是因?yàn)橘|(zhì)量/能量引起時(shí)空的彎曲,造成了有引力的現(xiàn)象,那么我可以繼續(xù)問(wèn),為什么質(zhì)量/能量引起時(shí)空的彎曲?......這就是一個(gè)套娃的過(guò)程,這樣的追問(wèn)永遠(yuǎn)不可能結(jié)束。

不過(guò),我想這樣的回答肯定很多人都不會(huì)滿意。

別急,我們可以根據(jù)微觀粒子這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,建立起一套自洽的理論,也就是量子力學(xué),在量子力學(xué)這個(gè)理論框架中,我們能很好的解釋單電子的雙縫干涉現(xiàn)象。但是首先,我們要拋棄掉“電子是一個(gè)有著確定軌跡的微小球體”這樣的思想。簡(jiǎn)單地說(shuō),在量子力學(xué)的理論框架下,每個(gè)微觀粒子都對(duì)應(yīng)著一個(gè)波函數(shù),這個(gè)波函數(shù)控制著粒子的一切行為,包括粒子的分布。波函數(shù)會(huì)在空間傳播,會(huì)發(fā)生雙縫干涉。波的干涉我相信大家都很容易理解,而電子的波函數(shù)的干涉最終的體現(xiàn)就是電子通過(guò)雙縫后,顯示屏上出現(xiàn)了明暗條紋,也就是干涉現(xiàn)象。

應(yīng)該說(shuō),“單電子通過(guò)雙縫后會(huì)在后面的顯示屏上出現(xiàn)明暗條紋”是我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),根據(jù)這樣的物理現(xiàn)象,我們總結(jié)出來(lái)了“電子通過(guò)雙縫會(huì)發(fā)生干涉”以及“電子具有波粒二象性”。

”粒子性”表達(dá)的是一種顆粒性,但與“確切的軌道”沒(méi)有必然聯(lián)系;

“波動(dòng)性”則是指波的“相干疊加性”,具體表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)干涉條紋,而與像水波一樣擴(kuò)散或者往復(fù)運(yùn)動(dòng)等概念沒(méi)有關(guān)系。

上圖是電子雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從實(shí)驗(yàn)中可以讀出:

1.電子打到顯示屏上的時(shí)候,是以一個(gè)“點(diǎn)”的形式出現(xiàn)的;

2.當(dāng)顯示屏上積累了大量點(diǎn)的時(shí)候,這些點(diǎn)整體呈現(xiàn)出非常明顯的條紋狀結(jié)構(gòu)。

可以看出,這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常明確的顯示了電子所表現(xiàn)出來(lái)的“粒子性”和“波動(dòng)性”,這也就是我們常說(shuō)的,電子具有“波粒二象性”。

最后,總結(jié)一下:任何的物理概念,都應(yīng)該有明確的意義或者達(dá)成共識(shí)的理解;

任何物質(zhì)的性質(zhì),根本都是來(lái)自于實(shí)驗(yàn),所以對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的判定歸根到底都應(yīng)該從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā);

任何的物理理論,都有適用范圍,所以在使用一個(gè)理論/概念的時(shí)候,都要小心其在討論的范圍內(nèi)是否適用。能做到這三點(diǎn),我相信很多物理中的問(wèn)題都可以被很好地解決與理解。

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