量子力学电子双缝干涉实验简介和一些思考

文章插图
内容主要来自量子力学科普书《见微知著》
量子力学的经典电子双缝干涉实验证明了粒子具有波粒二象性，是量子力学迄今为止最重要的实验，让我们一起来看一下这个实验。
如图所示，费恩曼设想的理想单电子干涉示意图。最左侧为电子q，1和2为两条狭缝。当只开启缝1或者缝2时，电子穿过狭缝打到后面的接收屏上的分布曲线分别是P1和P2，当两条缝都开启时，接收屏上电子的分布曲线不是P1和P2简单的相加，而是如最后一个图片下面所标注的公式。
这个实验最令人不可思议的，是当两条缝开启，电子q单个射出电子，其间间隔足够长的时间，最后得到的电子分布依然如上图所示，好像是先到的电子“规定”后到的电子的行为。
如果觉得上述说明不足以理解，请看下面进一步的说明。
在宏观世界中，以玻璃球为例。我们让玻璃球射过开了一道缝的挡板，大家知道，玻璃球会在后墙留下的痕迹，是一条线。射过开了两条缝隙的挡板，在后墙也是两条线。如下图。
当把玻璃球换成水波的时候，开一条缝，在后墙上也会出现一条线。开了两条缝的，就会出现干涉条纹。如下图。
那么量子世界是咋样的呢？将玻璃球换成电子，通过一条缝隙时候，后墙上只有一条线。如下图。
通过两条缝隙时候，后墙上出现干涉条纹。科学家在想，这么小的电子是如何出现干涉条纹的。他们设计了单电子干涉实验。让一个电子通过一条缝隙，后墙也只出现一条线。可是让人奇怪的是，当开了两条缝隙时候，竟然出现了干涉条纹现象。如下图。
这该怎么解释呢？明明电子一个个射过双缝的。怎么还出现了干涉条纹，难道一个电子同时穿过了两条缝隙？如下图。
更让人不解的是，当用摄像机试图看着电子的时候，干涉条纹竟然消失了。不看的时候，干涉条纹又出现了。观测竟然也能影响电子行为？它知道我们在看它？如下图。
这就是电子双缝干涉实验，所以费曼说：“电子双缝实验是量子力学的中心区域，研究量子力学，这个问题不可避免。”任何想要重建量子力学的人，也不可能避开这个问题。
结论一：当单个电子一个一个通过双缝后会形成干涉，说明单个电子有波属性。
答案：一个电子可以自相互作用发生干涉，但一个电子的干涉可以忽略不计，也就是你观测不到。这是量变到质变的认识。
这意味着对电子双缝干涉条纹现象的研究是群体行为而非个体行为。
答案：电子不会同时通过两条缝隙。
大多数相信它可以同时穿过两条缝隙的人，都会拿高维度空间来解释，关于平行宇宙，多宇宙，高维度空间等未经证实的理论，在此不讨论。
答案：说明了两条缝隙对产生干涉的必要性，也即说明了电子干涉和光的干涉现象没有本质区别。
单电子双缝干涉实验电子是一个一个间隔发出的，而经典的光干涉实验发出的是一束光而不是单颗光子，在这点上它们是有区别的。但就干涉而言，它们的本质是一样的。
即然光的干涉和电子干涉本质是一样，那么问题就转化为单电子是波还是粒子？
答案：单电子具有波的性质，通过自相互作用，发生干涉。（见本文第四部分的两个新闻证明）
就干涉而言，一定要是波才能行，这是前提条件。单电子具有波的性质意味着，可以用经典的光的波动理论来描述电子双缝实验，这样就不用考虑它究竟是通过哪个缝隙的问题了，因为通过哪个都可以自相互作用发生干涉。就好像一个人跳格子，左一下，右一下，这样就留下了干涉条纹。
答案：因为波动关系，我们必须要用惠更斯和菲涅尔的光的波动理论来解释。也就是波动“包络面”“次波”的概念的来理解。
结论二：当观测电子时，干涉消失，表现为粒子属性。
答案：对实验结果产生影响的不是人的意识。
如果是因为意识，那么人的观测和物体的观测应该有不同的结果，因为物体没有意识。但通过公开的实验信息知道，无论是实验者自己看还是摄像机测，干涉条纹均不会出现。
答案：电子或者光子不具有自我选择意识。（见本文第四部分的新闻一证明）
答案（未经实验的推测）：目前能想到的合理自洽的解释是，观测行为影响结果的原因是“有序的定向观测”影响。
在实验中，每一个物体都可以通过辐射来“观测”电子，但这些观测是无序并混乱的。现在有一个开着的摄像机，对着双缝观测，形成一个有序的“定向观测”，影响到了电子的干涉条纹的形成。“定向观测”观测取消，干涉条纹又出现。（如果以开着的摄像机因为通电而有磁场来解释其与其他物体的不同也是说不通的，因为实验室通电的设备不仅有摄像机。）
至于影响的机制，通过场的方式来破坏电子的干涉条纹形成的可能性比较大。（可以通过建一个定向磁场来影响电子双缝实验的方式验证。）
对于观察行为影响结果，可以这样理解：一组“电子”水波，向前走，遇到挡板的两个缝隙，大家知道肯定要发生干涉条纹的。但这个时候，水盆里突然掉入一块石头（观测行为），干扰了干涉条纹的形成，没有这块石头，干涉条纹将会出现。
假设在某大学一个实验室中做这个实验，当实验外有人看着这个实验室时算观测吗？实验室是否隔绝了这样的观测？
答案：观测距离是有限制的。
目前是这样的认为，实验外面的情况，对实验室内的实验，起不到观测作用。这点可以用观测行为发生作用需要达到一定的辐射能量强度来解释。
只要光通过两条缝隙的实验条件符合，干涉条纹就出现，并不受观测行为影响，但单电子却不同，这是为何？
答案：光束和一个电子的“稳定性”不同，单个电子对观测能量更加“敏感” 。
影响的能量不足以影响到光束形成干涉条纹，但足以影响到电子的干涉条纹形成。这就是量子力学与宏观物理学的区别。
中科大新闻网：中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了粒子和波的叠加状态，极大地丰富了人们对玻尔互补原理的理解。
研究成果作为封面文章发表在9月份的《自然-光子学》上，英国著名量子物理学家Adesso教授和Girolami教授，在同期杂志的《新闻与观察》栏目以《波-粒叠加》为题撰文，高度评价了这一研究成果：“量子惠勒延迟选择实验的实现挑战互补原理设定的传统界限，在一个实验装置中展示光子可以在波动和粒子两种行为之间相干地振荡” 。《自然-物理》杂志也以《选择的问题》为题在《研究高亮》栏目报道了该成果，评价该成果“重新定义了波粒二象性的概念” 。
量子实验装置的引入，使得人们可以从一个全新的视角来观察世界，就好像给我们安上了一双“量子的眼睛”，能够看到经典探测装置观察不到的物理现象。此项研究工作拓展和加深了人们对玻尔互补原理的理解，揭示了互补原理和叠加原理间的深层次关系，也使得人们对“光是什么”这个萦绕千年的问题有了更进一步的理解。
该项研究受到科技部和国家自然科学基金委的资助。
光是什么？这是个古老的科学问题。三个世纪以来粒子和波的概念就一直是对立的，比如牛顿最初的粒子说和胡克及惠更斯的波动说。现在我们对光的理解可以归结为玻尔的互补原理，即光具有波粒二象性，波动性和粒子性这两种属性即对立又互补，一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置。比如在由两块分束器构成的马赫-曾德干涉仪中，单个光子被第一个分束器分到两个路径上，在第二个分束器所在位置重合。如果我们选择加入第二个分束器，则构成干涉仪，有干涉条纹，观测到波动性，反之如果我们选择不加第二个分束器，则不能构成干涉仪，没有干涉条纹，观测到的是粒子性。马赫-曾德干涉实验是可以用量子力学解释的。
然而存在一种隐变量理论认为，光子是有自由意志的，在进入干涉仪之前光子就察觉到有没有第二个分束器，然后光子根据它察觉到的信息决定自己经过第一个分束器的方式，从而展现粒子性或波动性。
为了检验这种隐变量理论和量子力学孰是孰非，玻尔的学生惠勒于1978年提出了著名的延迟选择实验，即实验者延迟到光子已经完全经过第一个分束器之后再选择加不加第二个分束器。在经典的惠勒延迟选择实验中，探测光的波动性和粒子性的实验装置，即加与不加第二个分束器，是相互排斥的，因此光的波动性和粒子性不能够同时展现出来。
李传锋研究组设计出了量子实验装置，巧妙地利用偏振比特的辅助来控制测量装置，使得测量装置处于探测波动性与探测粒子性的两种对立状态的量子叠加态上。他们利用自组织量子点产生的确定性单光子源作为输入，实现了量子的惠勒延迟选择实验，排除了光子有自由意志的假设，并首次观测到了光的波动态与粒子态的量子叠加状态。
实验结果显示，处于波粒叠加态上的光子，既不象普通的粒子态那样没有干涉条纹，也不象普通的波动态那样表现出标准的正弦形干涉条纹，而是展现出锯齿形条纹这样一种“非波非粒，亦波亦粒”的表现形式。
2015年澳大利亚一个研究小组也获得光同时表现出波粒二象性的单个快照，新闻也摘录如下：据澳大利亚spacedaily网站2015年3月3日报道，量子力学告诉我们：光可以同时表现波粒二象性。然而，人类迄今为止还从未在实验上同时拍摄到光的波粒二象性；最多我们能看到光波动性和或粒子性，但总是在不同时间。
通过采用完全不同以往的实验方法，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们第一次从实验上同时拍摄到光波粒二象性的快照。这项突破性研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
Fabrizio Carbone说：“这项实验有史以来第一次证明，我们可以直接拍摄量子力学及其矛盾属性。”
此外，这项开创性工作的重要性在于它可以扩展基础科学到未来技术。正如Carbone解释说：“能够像这样在纳米尺度对量子现象进行成像和控制，开辟了迈向量子计算的新途径。”
当紫外光线照射金属表面时，它导致电子发射。阿尔伯特爱因斯坦这样解释“光电效应”：光原本认为仅仅是一种波，其实它也是一束粒子流。虽然各种实验已经成功观察到了光的波动性和粒子性行为，但是它们从未被同时观测到。
EPFL的Fabrizio Carbone领导的一个研究小组，利用一个巧妙的方法完成了一项实验：使用电子来使光成像。研究人员有史以来第一次，获得光同时表现出波粒二象性的单个快照。
实验这样设置的：一束激光脉冲照射在微小的金属纳米线上。激光使纳米线中的带电粒子能量增加，引起它们振动。
光沿着这根小小的纳米线在两个可能的方向上传输，就像公速路上的汽车。当沿相反方向传输的光波相遇时，它们会形成驻波（stand wave）。这里，驻波成为实验的光源，在纳米线周围辐射。
实验的巧妙之处在于：科学家们在纳米线附近发射一束电子流，利用它们来使光的驻波成像。因为电子与限制在纳米线中的光相互作用，因此，电子会加速或减速。利用超快显微镜对电子速度发生变化的位置成像，Carbon的团队现在可以使这个作为光波动性指纹的驻波可视化。
这种现象说明光的波动性，同时它也证明了光的粒子性。当电子在很接近光驻波的地方传输时，它们与光粒子，即光子发生碰撞。
如上文所述，这会影响电子的速度，使它们移动得更快或更慢。这种速度变化表现为电子和光子之间能量“包”（量子）的交换。这些能量包之间的交换，表明纳米线中的光是一种粒子。
从目前来看，双缝实验没有结论，双缝实验给了科学家和实验者无尽的猜想，科学家们也不明白双缝实验的结论到底是什么。从经典力学向量子力学的转变，这其中的过程并不是特别简单，量子力学中有许多令人匪夷所思的事情，双缝电子的实验确实是物理学界的一大难题。
什么是双缝实验？
双缝实验就是电子的双缝干涉实验，为了研究电子本身的特性，科学家们通过多电子和单电子进行干涉实验，目的就是为了探寻电子之间是否会产生干涉力。这些干涉地会给电子带来什么样的影响，通过单电子和多电子的双缝干涉实验，可以发现电子之间可以产生很强大的干涉力。并且一个电子也可以产生很强大的干涉力，电子经过干涉之后会产生波动性和粒子性，这就是物理学界所称的波粒二象性。
双缝实验全过程
在进行双缝实验的过程之中，有着三个小实验，第一个就是宏观d珠实验，这个实验证实d珠通过双缝向屏幕发射，在屏幕上显示的是两条图案。第二个实验宏观水波实验，这个实验通过双缝向屏幕发射水波，但是结果在屏幕上仅仅得到一个干涉图案，这是因为水波的特性所以结论也是正常。
比较重要的就是第三个实验，微观粒子实验，双缝实验将电子通过双缝之后，得到和宏观水波双缝一样的图案，这个结果与科学家研究的恰恰相反。之后研究人员又进行多次的重复实验，并且将周围的环境改变，但是得到的结果还是一样的。这就是著名的双缝实验。
双缝试验下恐怖的结论
对于双缝实验来讲，虽然结论一直都有着偏差，但是这个实验对于量子力学还有这有非常大的影响力。而在这场实验之下，每个人也意识到了一个问题，造成实验结论存在误差的不是因为实验的不当，因为通过对设备还有周围环境的实验都是没有问题的，唯一的问题就是出在每个人的主观意识的控制。
【量子力学电子双缝干涉实验简介和一些思考】这个实验结论恐怖的背后，是否在说着许多事情仅仅是只靠人体的意识就可以改变的，如果说人类的潜意识可以控制一切的命运，这种结论真是让许多人都感到了畏惧的感觉。人的意识越强，则控制力越强，那么规则则是显得毫无作用与保护性。