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微观世界:不可思议的量子实验

2019年5月24日  来源:scottcgi 作者: 提供人:sizhuo82......

以下阐述的实验均被实际验证,这里只简述过程和原理。

单电子双缝干涉实验

一个一个发射电子,通过双缝挡板,击中挡板后的侦测屏,每次等到侦测屏显示电子击中后,才发射第二个电子。反复发射多个电子,最终在侦测屏上,记录电子所形成的图案,显示出了干涉条纹。如果封闭一个缝隙,变成单缝隙,侦测屏则没有干涉条纹出现。

这个实验,与光的干涉实验完全不同,因为光的干涉是光通过双缝,形成两组光波,最后产生干涉条纹。而这里是单个电子通过双缝,最终也形成了干涉条纹,前者是群体,后者是个体。

这里有几点需要说明的是:

第一,多个电子在侦测屏上,形成的干涉条纹,是符合波函数的概率分布预测的。

第二,一个电子在侦测屏上,只能是一个点,而不是干涉条纹,需要多次发射电子,才能形成概率分布图案——产生干涉条纹,此时单个电子在群体事件中,显示出了统计属性。

第三,干涉条纹意味着,单电子通过双缝时,产生了波的干涉效应,相当于电子同时通过双缝,产生了两个波源,然后自己和自己干涉。

第四,如果单电子每次只是随机的通过一条缝隙,就不会在双缝之后自己和自己干涉,那么最终的图案就不会出现干涉条纹,而只会是两条明亮的条纹。

这个实验说明了,单电子具有波动性,就是电子在空间中的位置是不确定的——呈现一种概率分布,这种位置分布的概率能够叠加,形成干涉效应——就是增加某些位置出现的概率,减少某些位置出现的概率。

最终,电子击中侦测屏,它的波动性转变为粒子性,也就是概率给出结果——位置确定。而多个电子形成的干涉图案,就会体现出一个电子波动性的自我干涉叠加。

因为实际上,在干涉条纹中,所有点都对应着电子能够随机到的位置,而只有电子呈现波动性,并且自己和自己干涉,才会产生那些明暗点的位置概率,从而形成明暗条纹。否则,就只会有两条亮色条纹的位置概率,而不会有暗色条纹的位置概率。

双缝干涉实验——观察者效应

与单电子双缝干涉实验一样,只不过,在双缝挡板前进行观测,以确定单电子如何穿过双缝。结果是,观测到每个电子随机穿过了一条缝隙,侦测屏最终的干涉条纹消失,只有两条明亮的条纹。但去除观测手段,干涉条纹就会再次出现。

这个实验正是说明了,波粒二象性的互补原理,如果观测,粒子给你展现的就是粒子性,并且波动性就退化了;而如果不观测,那么粒子的波动性就又会出现,并且粒子性就退化了。

惠勒光子延迟实验

一个光子,射入一个半透镜,那么就有一半的概率穿过,一半的概率被反射,这是一个量子随机的过程。

第一种情况,在半透镜两边,放置侦测屏,就可以检测光子是穿过半透镜,还是被半透镜反射。结果显示,每个光子,只会随机让一个侦测屏产生亮点,多次之后依旧是亮点。这说明了,光子每次只会穿过或被反射。

第二种情况,利用两个反射镜,将可能穿过半透镜,或是被半透镜反射的光子,继续导入第二个半透镜的两面。也就是说,如果光子穿过第一个半透镜,则会进入第二半透镜的一面;如果光子被第一个半透镜反射,则会进入第二个半透镜的另一面。

要知道,第二个半透镜依然有一半的概率,让光子穿过或反射。那么接下来,在第二个半透镜的两边,放置侦测屏,以检测穿过或被反射的光子。

结果显示,每次发射一个光子,经过多次,在其中一个侦测屏上,出现出了干涉条纹。

这说明了,一个光子进入第一个半透镜,同时穿过和被反射,然后按照两条路径运行的光子,同时进入第二个半透镜的两面,又继续同时穿过和被反射。

那么,在第二个半透镜的两面,都会有穿过和反射的光子。通过调整光子的相位,就可以让光子自己和自己,在一面相互抵消,而在另一面相互干涉。从而在一个侦测屏上,产生干涉条纹。

第三种情况,在光子经过第一个半透镜的过程中,并没有第二个半透镜,这相当于第一个情况,光子会穿过或被反射。然后在光子完成第一个半透镜的量子随机后(穿过或被反射),再“延迟”加入第二个半透镜。

结果显示,与第二种情况一致,光子会同时穿过和被反射。这说明了,我们“延迟”加入第二个半透镜的行为,让光子已经确定第一种情况的选择后,神奇的切换到了第二种情况。这样,我们的延迟选择,就决定了已经完成的选择。

对于这个实验,惠勒后来引用玻尔的话说:任何一种基本量子现象,只在其被记录之后才是一种现象,我们是在光子上路之前,还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。光子在通过第一块透镜,到我们插入第二块透镜这之间,它到底在哪里,是个什么,是一个无意义的问题,我们没有权利去谈论它,因为它不是一个客观真实!

量子擦除实验(Quantum Eraser Experiment)

这个实验有些复杂,但已经被成功验证。

第一步,我们创造出一对纠缠态的光子,间隔发射,通过双缝板——上面有缝A和缝B,并且这一对光子,在通过双缝的时候不分离。但我们不知道这一对光子,是通过A、还是B、还是同时通过AB。

第二步,这一对光子,通过双缝后,如果在A处会被分离为纠缠态的两个光子——A1A2,如果在B处会被分离为纠缠态的两个光子——B1B2,其中A1和B1将会进入透镜,被集中到D0侦测屏,最终显示出干涉条纹。

此时,D0上的光子,无法区分哪些是A1,哪些是B1,这就意味着,不知道这些光子来自哪个缝隙——A或B。显然,是纠缠态的一对光子同时进入了AB,然后同时在A分离出A1,在B分离出B1,并且A1和B1在透镜之后产生干涉,才能在D0显示出干涉条纹。

第三步,A2和B2将会进入偏光镜,分别走向不同的方向。并且去向的地方,均在远离D0的位置,这说明了在A2和B2仍在运动的过程中,D0已经检测到光子。

第四步,A2进入半透镜,有50%的概率进入侦测屏D4,另外50%的概率进入半透镜,之后又有50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D1,和50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D2。

同理,B2进入半透镜,有50%的概率进入侦测屏D3,另外50%的概率进入半透镜,之后又有50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D1,和50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D2。

总结起来就是,A2有50%概率进入D4,25%的概率进入D1,25%的概率进入D2;B2有50%概率进入D3,25%的概率进入D1,25%的概率进入D2。(D1D2无法区分A2B2)

第五步,D1和D2侦测屏,都没有反应。那么,这个时候如果D4有反应,说明是A2(状态塌缩),与之纠缠态的A1——会在D0产生反应;如果D3有反应,说明是B2(状态塌缩),与之纠缠态的B1——会在D0产生反应。

于是,通过D4和D3的反应(不会同时反应),我们就知道了在D0处的是A1还是B1,然而此时,D0处的干涉条纹就消失了。显然,这是因为我们确定了这一对纠缠光子,通过AB缝的准确路径,于是这一对光子的状态塌缩,展现出了粒子性,只能在AB中选择一个通过。

第六步,D1和D2侦测屏,其中一个有反应。此时,A2和B2都有概率形成这个结果,那么我们依旧无法确认,A1和B1谁在D0处产生了反应,即意味着,A1和B1都在D0处,产生干涉,自然干涉条纹就再次出现在了D0。

至此,整个实验完成,有两点值得说明:

首先,D1和D2侦测屏有没有反应是概率,从结果来看:在D1或D2有反应的时候,D0有干涉条纹——这相当于擦除了路径信息;在D1和D2没有反应的时候,D3或D4会有反应——这相当于拥有了路径信息,此时D0干涉条纹消失。

其次,从第三步可知,光子抵达D1234的距离,要长于D0。所以,D1234有没有反应的时候,D0早已出现过了反应——形成条纹,但D0处的条纹是否干涉,依然受控于,后发生的D1234的反应。

这个实验的重点,在于揭示了:粒子状态的塌缩,不在于观察者,或是什么样的观察者——包括观测技术设备、有无智能和意识等等,而是在于信息路径的构建。

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