(科学网张天蓉博客,收藏有删减) 走近量子纠缠(3):上帝掷骰子吗? 谁也料不到,爱因斯坦和玻尔这两个年轻人在十几年后成为了物理界的两大巨擎,而且在量子理论的基本思想方面,两人巅峰对决,展开了一场一直延续到他们去世的旷世之争。两人的争论可以概括为一个著名的问题:上帝掷骰子吗? 这首先是一个哲学问题,我们需要了解杨氏双缝干涉实验。 电子双缝实验证实了电子叠加态的存在。2002年的《物理世界》杂志评出十大经典物理实验,“杨氏双缝实验用于电子”名列第一名。费曼认为,杨氏双缝电子干涉实验是量子力学的心脏,“包括了量子力学最深刻的奥秘”。那么,这个实验是如何揭示量子力学中最深刻的奥秘?实验中哪儿出现了神秘的叠加态?它与“上帝掷不掷骰子”又有什么关系? 图1(a)中,点光源发出的光作为一种波抵达狭缝,根据惠更斯原理,波面上的每一点都是一个子波源。因此,经过两条狭缝之后的波,可看作是位于两条狭缝处的子波源所发出的两列波的叠加。波的叠加意味着振幅的也叠加。当两列波到达同一位置时,如果振动方向相同,叠加后振幅增大;反之,如果振动方向相反,互相抵消,叠加后振幅减小。由于叠加后的振动在不同位置的增大或抵消,便形成了屏幕上明暗相间的干涉条纹(图1(a)右边的图案)。图1(c)表示的是光波在屏幕上的强度分布。曲线p是一条上下振动的图像,这对应明暗相间强度变化的干涉条纹。 图1中的(a)和(c)说明的都是“双缝实验”的情形,图(b)则是两次“单缝实验”的结果。如果将一条狭缝遮住,就可以分别作两次单缝实验,这两次单缝实验的结果都没有条纹,单缝实验光强度的分布分别由(b)中的曲线p1和p2表示。 因为p1、p2是单缝实验的强度分布,p是双缝实验的强度分布。所以p并不等于p1、p2的简单叠加,它是单缝实验的振幅叠加后的平方。这具有波动的特点,也是干涉条纹的来源。 如果用粒子来作双缝实验,结果又会怎样?由于有经典意义上的粒子和量子力学中的行为古怪的粒子之分,可遵循费曼设计实验,对比一下水波、子弹和电子分别通过双缝时的不同行为: 水波的情况如前所述,由图1表示。 用子弹(经典粒子)进行双缝实验的结果如图2。设想用一挺机关枪向狭缝扫射(图2(a)),子弹的发射服从经典概率统计规律。一粒一粒发射子弹,在穿过狭缝到达屏幕的子弹中,通过两条狭缝的几率各是50%,如果打到屏幕上的每个子弹形成一个亮点,发射一定数目的子弹之后,屏幕上就有了一个亮点聚集而成的图像(图2(a)右)。这个图像不同于波动的情形,它不是明暗相间的干涉条纹,而是从中心到两边,亮度逐渐下降的图像,如图2(a)的曲线p所示。 先假设类似子弹,用电子枪将电子一个一个地朝着狭缝发射,电子单缝实验的结果如图3中的(b),曲线p1、p2与水波和子弹时一致。然而,电子双缝实验的结果p却是与水波的一样,出现了干涉条纹。这个结果令经典物理学家感到意外,因为实验中的电子和机枪发射子弹一样,是由电子枪一个一个发射出去的。经典物理认为电子是粒子。既然是粒子,它的宏观轨道行为应该和子弹没有实质差别。双缝实验时,虽然两条缝都是打开的,但是每一个电子,应该象一个子弹那样,只能通过其中的一条缝到达屏幕,所得结果就应该和子弹的一样属于非相干叠加。 按照量子论的概念来理解,电子这种不同寻常的非经典行为,不就是 “电子处于一种既在A、又在B的叠加态”,电子同时穿过了两条狭缝。作为量子论中的叠加态粒子,每个电子(或光子)好像孙悟空一样有分身术,一个孙大圣到了两条狭缝处就变成了两个大圣,同时穿过了两条狭缝,然后两个真假孙悟空又自己跟自己打起来了(相干),其结果有可能是双赢,变出一个大孙悟空(屏幕上异常明亮),也有可能两败俱伤,真假悟空全死光(屏幕上暗淡的地方)。 |
|