量子世界中 波函数到底是实体还是?

著名的双缝实验

图1

通过双缝实验,我们知道微观粒子在实验的两端更加类粒,在中间却表现出波动性。微观粒子这种既有粒子性又有波动性的性质,被科学家称作波粒二象性。美国物理学家惠勒将这种量子力学中最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙”:人们可以看到巨龙的头,它是粒子产生的源头;也可以看到巨龙的尾巴,它是实验观测的结果。巨龙的头和尾巴都是确定的、清晰的,但是巨龙的身体却是一团迷雾,没有人可以说清。

延迟选择实验 具象展示微观粒子波动性

为了具象地展示这种物理概念,1979年在为纪念爱因斯坦诞辰100周年而召开的一次专题讨论会上,惠勒正式提出了“延迟实验”的构想:当光子已经通过左下角的半透镜之后再决定是否放上右上角的半透镜(实验装置如图1)。

在延迟选择实验中,科学家用左下角的半透镜(涂着半镀银的反射镜)来代替双缝,并且把该半透镜与光子的入射路径摆成45度角,那么,光子就有一半可能直接通过半透镜,一半可能被反射成90度角,这是一个量子随机过程,跟它选择双缝中的左缝和右缝本质上是一样的。同时,在左上角和右下角分别放置一个全反射镜,这样就可以把这两条分开的岔路再交汇到一起。此外,还需要在路径1和路径2的终点处装上探测器,用来确定光子究竟是沿着哪条路径过来的。

如果每次实验只发射一个光子,连续发射半小时,我们发现每次实验都只有一个探测器观测到光子,光子通过路径1和路径2的可能性各是50%。哥本哈根诠释认为,这说明单个光子每次只选择一条路径通过,皇冠投注网址,从而达到对应的探测器。

但是,如果我们在路径1和路径2右上角的交汇处放上一块呈45度角的半透镜,神奇的事情就发生了,探测器中出现了干涉条纹,单光子出现了自我干涉。哥本哈根诠释认为,光子肯定同时通过了路径1和路径2。

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