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电子双缝干涉实验，人类史上最著名的科学实验之一，实验过程和结果让很多人感到恐怖，其实严格来讲并不能算得上恐怖，而是很难理解，完全颠覆了人们的传统认知，让我们客观存在的真实世界突然变得模糊起来。说白了，电子双缝干涉实验似乎有一丝玄学的味道，因为实验过程和结果如此让人捉摸不定，完全不按套路出牌。可以这么说，如果你不了解电子双缝干涉实验，根本谈不上理解量子力学。其实人类科学史上不仅仅有电子双缝干涉实验，这个实验是从光的双缝干涉实验开始的。当时的背景是这样的，整个物理学界在物理学大佬牛顿的光环下，光的粒子说彻底占据上风，波动说几乎完全被遗弃。时间来到了19世纪初，英国物理学家托马斯杨做了著名的杨氏双缝干涉实验，用一束光照射两条相互平行的挡板，在挡板后面的屏幕上出现了多条明暗相间的条纹。显然，光在穿过两条狭缝后出现了干涉现象，而干涉是波才有的特性。这个结果让光的波动说又重新回到人们的视野，因为实验结果表明光就是一种波，或者说光确实具有波的特性。双缝干涉实验的过程和结果让当时的科学界一下子又炸锅了，当时的物理学界大佬也很不解：光到底是粒子还是波？这个问题其实直到现在也没有完全弄清楚，只是用“波粒二象性”来解决这个问题，也是个中庸的解决方案。后来麦克斯韦电磁理论中，明确把光定义为一种电磁波，但同时光也具有粒子特性，而且波长越短，粒子性越明显。如果说光是一种波还可以理解和接受的话，那么电子呢？电子到底是粒子还是波？在人们的固有思维里，电子是一个实实在在的粒子，就像一个玻璃球那样。人们根本不会把电子想象成一个波。不过在之后的电子双缝干涉实验，结果又狠狠地扇了人类一记响亮的耳光。当科学家们把电子连续射向具有两条狭缝的挡板后，一开始挡板后面的屏幕出现的只是亮点，而且这些亮点似乎没有什么规律，是随机出现的。不过随着发射的电子越来越多，让人意想不到的现象发生了，屏幕上竟然出现了多条明暗相间的条纹！这样的结果着实让科学家们想不到。出现干涉条纹就说明电子在穿越狭缝之后发生了干涉现象，而干涉是波才有的特性，这分明是告诉科学家：电子也是一种波。对此，科学家们百思不得其解，不知道究竟怎么回事。接下来他们又对实验进行了改良，这次不再联系发射电子，而是一个一个地发射电子，看看会发生什么情况。按理说，既然每次只发射一个电子，那么电子只能从两条狭缝的其中一条狭缝中穿过，那么单个电子在穿过狭缝之后，就不可能出现干涉条纹。这样的逻辑确实没有问题，也完全符合人们的日常生活经验。但是不做不知道，一做吓一跳。实验结果再次让科学家们完全懵逼。即便是每次只发射一个电子，在一段时间之后，屏幕上还是出现了干涉条纹。这个结果让人太费解了，科学家们对此完全不知所措，甚至变得有些疯狂了。因为实验结果分明指向了那个可怕的事实：电子到底是和谁发生了干涉呢？难道单个电子同时穿过两条狭缝，然后自己与自己发生了干涉？确实是这样，而且只能是这样：单个电子同时穿过了两条狭缝，然后自己与自己发生了干涉。科学家们一时无语了，他们想看看单个电子到底是如何穿过两条狭缝的，于是就在挡板附近安装了监控设备，类似摄像头，但其实并不是普通的摄像头，而是利用电子的带电属性，安装了一个通电的线圈，大家知道就可以了。结果更是让所有人再次大吃一惊，很多科学家们甚至想骂街：不可能，绝对不可能。怎么会这样？究竟发生了什么呢？当科学家们试图通过观测的形式，看看电子是如何同时穿过两条狭缝时，电子好像识破了科学家们的“伎俩”，乖乖地从某一条狭缝穿过，而屏幕上的干涉条纹也随之消失！难道仅仅是因为多看了一眼，电子就不“高兴”了？就影响到了电子的路径了？科学家们一时间也是头皮发麻，他们甚至开始怀疑人生，怀疑这个世界的真实性。观测行为就让会改变电子的状态，是不是所有的微观粒子都是如此？而宏观世界又是由微观粒子组成的，那么是不是意味着我们的观测行为也会影响到宏观世界呢？科学家们不敢继续想下去了。接下来科学家继续对电子双缝干涉实验进行改良，惠勒延迟选择实验应运而生，实验过程就不再详述了，有些复杂，但是实验结果和过程似乎颠覆了因果律，这意味着未来可以影响过去。要知道因果律是现实世界的基本规律，如果因果律失效了，我们无法想象后果会是什么。但是，至今人们也没有对惠勒延迟实验有合理的解释。经过一百多年的发展，如今哥本哈根诠释已经成为量子力学的正统解释。按照哥本哈根诠释，之所以电子会出现如此诡异现象，完全是因为“叠加态”在作怪。叠加态，相信大家都听说过，在著名的思想实验“薛定谔的猫”中，叠加态被应用得淋漓尽致。由于放射性元素处于衰变与不衰变的叠加态中，猫自然也处于“生和死”的叠加态。而任何的观测行为都会让叠加态发生坍缩。表现在电子双缝干涉实验中就是，人们的观测行为导致电子从叠加态坍缩为本征态，也就是确定状态，此时的粒子乖乖地表现为粒子性，因此干涉条纹消失不见了。也就是说，在我们不观测时，电子就是一片模糊的叠加态，而一旦实施了观测行为，电子立刻就会从叠加态坍缩为确定状态。这就是量子力学中的“观测会导致叠加态坍缩，或者说波函数“坍缩”。看到这里，很多人可能会陷入深深的迷惘中，会下意识地认为我们的世界最终呈现的模样完全取决于我们的观测行为。给人一种“看山不是山，看水不是水”的感觉。似乎从我们睁开眼的那一刻，周围的世界就因我们的观测而改变了。其实完全没有必要这么想，因为如此下去很容易陷入不可知论的怪圈。虽然量子力学十分诡异，至今没有谁能完全弄明白量子力学诡异现象背后的本质，但不可否认的是，量子力学的确是目前最精准的学科，早就应用在我们日常生活中，很好地为人类服务。最关键的是，目前几乎没有任何实验现象与量子力学相悖。总的来说，目前的量子力学还属于“唯象理论”的范畴，也就是说，量子力学需要一些公理来支撑，而公理是无需解释的。往深了讲，如果想更进一步诠释那些公理背后的物理意义，其实是很难的，因为公理其实也可以理解为假设，假设的东西怎么解释呢？打个不恰当的比喻，我假设“你不是人”，你非要质疑我的假设，就没有意义了。不少人对单光子或者单电子的定义和具体细节感兴趣，怀疑人们不可能发射单个光子或者电子。其实单电子在目前的实验条件下的确是存在的，科学家可以利用各种精密仪器发射单个电子，这种物理机制并不是很难。电子双缝干涉实验背后其实有更多的解读。很多人的固有思维里，电子应该作为一种实体来参与干涉的，其实并不是这样的，即便是电子，在传播的过程中也不能当作一个粒子，而是一种波，准确来讲是概率波，也不是实体波。还有一点，量子力学是无法准确诠释单个微观粒子的行为的，而呈现的干涉条纹只在统计学上有意义。也就是说，量子力学对于单个粒子是毫无意义的，我们并不知道单个电子最终会落在屏幕的哪个位置，只能计算出落在某个位置的概率。但是，如果有大量的电子，那么最终的结果一定会遵循干涉条纹的分布，明亮的干涉条纹出现电子的概率是最高的。还有一个更大的问题：到底什么是观测？观测行为为什么会导致微观粒子的波函数坍缩？很抱歉，答案是：不知道。看到这里你肯定很生气：不知道你在这说什么呢？这里我可以非常“骄傲”地说，不仅我这个科学爱好者不知道，任何顶尖的科学家也不知道。直到目前，整个物理学界对于测量背后真正的物理意义，并没有达成一个共识。有一种解释是这样的，电子其实是无处不在的，理论上讲甚至可以瞬间出现在宇宙的边缘，而当我们观测时之所以会发生坍缩现象，并不是我们的观测行为迫使电子发生了坍缩，而是因为无论我们看向哪里，电子都会在那里等着我们，因为电子是无处不在的。但主流科学界认为答案很简单，当然也很“霸道”。正如刚才所说，量子力学其实是建立在公理基础上的，而测量导致坍缩，也就是波函数坍缩现象恰恰就是量子力学中的一个公理。所以，这也是我一开始说“不知道”的原因。因为公理是没法解释的，也无需解释。就像欧式几何的最底层逻辑其实也是“五大公理”，你知道公理的意义就不是很大，但你完全可以提出自己的公理，这又是另外一回事了。比如说，两条平行线永远不会相交，你质疑这个就意义不大。当然的确有人质疑了，然后黎曼几何就应运而生了。不过严格来讲欧式几何和黎曼几何完全是两码事。由于公理就是假设，所以，以公理为基础的科学理论当然要求公理越少越好，同时越符合我们的日常生活认知越好。因为任何假设都像是一个“定时炸弹”，随时可能会引爆，一旦假设被否定，整个理论就会轰然倒塌。对于测量的问题，还想说一点。量子力学中的不确定性原理表明，我们不能同时准确测量出微观粒子的位置和速度信息，位置的不确定性与速度的不确定性乘积必然会不小于一个常数，尽管整个常数非常小，但肯定是大于零的。也就是说，微观粒子的位置越是确定，它的速度计越不确定，速度甚至可以达到无穷大。反之，如果微观粒子的速度很确定，那么它的位置就非常不确定，意味着可以出现在任何地方。对于不确定性原理背后的基本逻辑，目前有两种解释。第一，任何测量行为都会对微观粒子造成一定的干扰，同时测量仪器的精确度也有一个上限，两方面的原因造成了最终的不确定，或者说“测不准”。这种解释更容易被大众接受，因为更好理解，更符合人们的生活经验。第二，就是我们常说的“哥本哈根诠释”，由哥本哈根学派提出来的，这个学派的主要成员是玻尔，玻恩，海森堡等物理学界大佬。但是爱因斯坦和薛定谔是哥本哈根学派的反对者。哥本哈根诠释认为，量子力学中的“波函数”其实是没有任何物理意义的，所谓的波函数就是指粒子的概率分布。这种解释意味着哥本哈根诠释彻底抛弃了经典物理学概念，认为微观粒子根本没有实体意义，只是概率波而已。只有在测量的那一刻，微观粒子发生了坍缩才会产生实体意义。虽然第一种解释更符合大众的胃口，但主流科学界却更认可第二种解释。玻尔和爱因斯坦就因为这个问题“大动干戈”，在两届索尔维会议上都进行了激烈的争辩。但在之后的几十年时间里，哥本哈根诠释得到越来越多的支持，这种支持不仅仅是口头上的，还有实验和数学上的支持。爱因斯坦和薛定谔是经典物理学的坚定拥护者，虽然相对论也违反了我们的传统认知，但相对论仍旧属于经典物理范畴。爱因斯坦对于哥本哈根学派的“波函数”诠释表示坚决不认为，他认为“上帝不会掷骰子”，世界是确定的，可预测的，也是可描述的。同时，爱因斯坦认为，量子力学背后的那些诡异现象，一定隐藏着某些隐变量还没有被发现，一旦发现了隐变量，就可以触摸到量子力学的本质。不管怎么说，虽然量子力学非常违反人们的直觉，但是主流科学家一直对量子力学深信不疑，为什么？就是因为量子力学确实太精确了，也太优美了。虽然科学家们还不清楚量子力学背后的底层逻辑到底是什么，但不可否认的是量子力学的力量早就影响到了我们日常生活的方方面面。人类对量子力学虽然“只知其然，不知其所以然”，但这并不妨碍人类利用量子力学为我们服务。在半导体领域，激光物理领域，量子通信，还有量子计算机等领域，量子力学都发挥着至关重要的力量。比如说我们日常生活中离不开的手机和电脑芯片，就包含了量子科技。甚至太阳本身就体现了量子力学，简单来讲，太阳核心的温度和压强根本不足以发生核聚变，但由于量子隧效应的存在，微观粒子可以突破“能量势垒”从而引发核聚变。也就是说，如果没有量子力学，没有量子隧穿效应，太阳根本就不会发光！洋洋洒洒写了这么多，可能你会有这种感觉：怎么我越看越糊涂呢？这也很正常，一是因为本来人们对量子力学的本质就不清楚，二是因为“你了解得越多，就会觉得自己越无知。”当然这样说并不是在“嘲笑”你，恰其说明你一直在进步，正是越来越多的无知，才会促使我们永葆好奇心，拥有不断前进的动力。而有些人并不觉得自己无知，所以不愿意听别人的分享，更不在意事情的真相，最终就像温水煮青蛙一样，被社会淘汰！总结量子力学的发展不会停止，科学家们坚信量子力学诡异现象的背后一定隐藏着更深的底层逻辑，甚至是更高级的物理定律。而当科学家们发现那些高级物理定律时，势必会再次颠覆人们的世界观，就像当初相对论颠覆人们的时空观一样，甚至有过之而无不及！
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