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79 曆史上最燒腦的實驗:雙縫幹涉實驗

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光,到底是波還是粒子?愛因斯坦論證了光在光電效應的實驗中必須被解釋為粒子。但證明光是波的實驗也有很多,其中雙縫幹涉實驗是最著名的一個。

雙縫幹涉實驗的設置是這樣的:有一個光源,前麵用一塊板遮擋,板上麵有兩條縫,板的另一側有堵牆。調節雙縫之間的距離以及板與牆之間的距離,能看到牆上印出光的形狀是明暗相間的條紋。

這說明,光在雙縫幹涉實驗情況下體現出了波動性。因為,如果光是粒子的話,光子必然走直線,如此一來,應該隻能在牆上看到兩條明亮條紋。而用光的波動性便可以解釋明暗相間條紋的現象:在牆上,不同位置的點到兩條縫之間的距離不同,當這個距離差是光波波長的整數倍時,兩條光波永遠是波峰和波穀同時到達,會產生幹涉相長的明亮條紋。而當距離差是光波半波長的奇數倍時,兩條光波永遠是反相位的,波峰一定遇到波穀,如此便會產生幹涉相消的暗條紋。

現在,我們不用光來做這個實驗,而是用電子來代替光做雙縫幹涉實驗。根據波粒二象性的描述,電子也可以展現出物質波的特性。同樣地,我們會獲得電子的幹涉條紋。但接下來要做的事情就比較神奇了。

我們安排電子一個個發射,看看最終所有電子都打到牆上會出現什麽現象。結果實驗做出來是,電子在牆上的分布依然形成了明暗條紋。也就是即便一個個地發射電子,每個電子在經過雙縫的過程中,依然展現出了它們物質波的特性。現在我們想了解一件事,電子在經過雙縫的時候,具體走的是哪一條縫呢?我們用一個探測器放在雙縫前,看看電子到底進入了哪條縫。但奇怪的是,隻要我們明確了電子具體經過了哪條縫,明暗相間的條紋居然消失了,隻剩下兩個區域有電子,剛好對應電子作為一個粒子走直線的情況。這個電子似乎知道我們在看它,一看它,它就變成粒子了。