大家好,歡迎和我一起探索未解之謎,今天我要給大家介紹一個‘物理學’中最詭異的實驗之一——雙縫干涉實驗。
文章會比較長,我會分上下兩篇來介紹,看完後您會對這個世界有更多的思考,理論上來說,微觀世界就是由點,線組成,從某種角度來看完這篇文章,您也許會對生命,行為有更多的認知!
這個實驗其實很簡單,但是它卻可以顛覆您對宇宙,時空,世界的看法。
可能不少理工科的觀眾朋友會說,這個實驗高中課本里就介紹過了呀,就是用來證明‘光’既是粒子,又是一種波,具有‘波’‘粒子’二象性的一個實驗,這有什麼特別的呢,別急,咱們先把這個來龍去脈說清楚了,大家再做定論。
光的波粒之爭
來到物理學的世界,現代科學之父,英國的科學家牛頓就是咱們不得不提的一個人物了。在《時間是幻覺》這期節目中,他就曾經隆重出場過,人類近代啊,對於‘光學體系’的研究,就是17世紀的時候由牛頓來建立的,牛頓呢為了研究‘光學’可以說是不顧一切。
他曾經連續多天用肉眼直視太陽,為什麼呢,就是為了觀察人的視覺對於光的感應,牛頓甚至用一根針插入自己的眼睛裡,壓迫眼球,以瞭解人的眼睛在感光中的作用。
不過我們這裡提醒大家,大家可千萬不要模仿這種瘋狂的行為,牛頓在經過了大量的實驗之後,提出了他對於光的理解,也就是光是一種物質微粒。它總是以‘直線’來傳播的,並且光會發生反射,還有折射現象。
而同一時期英國的另一位科學家胡克提出了另外一個理論,他認為‘光是一種波’。光波理論呢,還得到了荷蘭‘物理學家’惠更斯的支援,牛頓和惠更斯這兩位科學泰斗當時對“光”究竟是粒子還是波這個還進行了一番辯論,但是他們誰也說服不了誰。
牛頓在1704年出版了自己的著作《光學》。他用光的‘波動理論’來解釋光的粒子性,而這個時候惠更斯已經去世很多年了。
沒有了反駁的對手,再加上牛頓在物理世界的權威性,就讓‘光是粒子’這個說法在之後的一個世界裡佔據了主導地位,直到有一個人的出現。
楊氏雙縫實驗
英國的科學家托馬斯楊是另一位天才,楊在13歲的時候就已經可以閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、義大利文以及法文的書籍了。
14歲的他就到劍橋大學旁聽了,而第一天上希臘課的時候,不巧教課的這個教授遲到了,楊一看老師沒來,他這個時候居然很不見外的就走到講臺上去了。
人家不是要做自我介紹,而是要直接給大家講起課來了。過了一會兒教授來了,不過教授沒有聲張,而是假裝自己是學生在一邊旁聽了一會兒,
然後他對站在講臺上的楊還提了一些問題,最後教授對著全班的同學說,如果以後我遲到的話,就請楊先生先代替我上課。
此外楊還被認為是‘世界上最後一個什麼都知道的人’,而我們今天要說的這個‘雙縫實驗’的最初版本就是由楊發明的。所以也叫‘楊氏雙縫實驗’。
這個實驗呢具體說來很簡單,我們只是需要一個發光源,還有一個有兩條狹縫的不透明板,還有一個‘可探測光’的探測屏就足夠了。
如果說光是粒子,那麼大家可以想象啊,光透過這個雙縫板之後,應該會在探測屏上出現兩道豎線,對吧?那麼如果光是一種波呢,一般說來,那就會出現一個由多條豎線組成的干涉波紋了。
而實驗結果很多朋友都知道,探測屏上出現了干涉波,這就證明光是一種波。但是光的波、粒性的爭論到這兒還沒完,因為辯論的雙方都遇到了一些沒法解釋的現象,
最後這個謎團啊還是由科學界的更天才的人物愛因斯坦給破解了。愛因斯坦藉由‘光電效應’理論證明了光的‘波、粒’二象性,也就是說光既是一種粒子,也是一種波。
泰勒的雙縫實驗
‘楊氏雙縫實驗’採用的是‘光束’,由很多的光子組成,為了更好地研究‘光子’的特性呢,物理學家們開始對‘楊氏雙縫實驗’進行改造。
1909年的時候,英國的物理學家傑弗裡.泰勒爵士就降低了‘實驗光束’的強度,讓每次只有一個‘光子’發出來,而一段時間之後再去看這個‘探測板’,這個時候他赫然發現在探測板上還是出現了干涉條紋,一個光子居然出現了干涉條紋,這意味著什麼呢?
這就是說光子自己會和自己發生干涉,也就是說在這個實驗當中一個光子很可能同時穿過了兩條縫,這是怎麼回事呢?難道說光子是孫悟空嗎?還會分身?
為了搞明白這個事啊,科學家們提出了一個想法,能不能在‘雙縫板’與‘探測板’之間加上一個觀測儀器,看一看每一個光子到底是從左邊透過的還是從右邊透過的?
這個想法看似簡單,然而實驗結果卻是讓人驚掉了下巴,怎麼呢?原來人們發現實驗結果顯示,只要這個探測儀器一開啟,光子就會老老實實地顯示出‘粒子性’。
也就是說探測板上就只能看到兩條豎線,兩條光紋,而一旦把這個觀測儀器給關閉的話,光子的‘波動性’就出現了,探測板上干涉條紋又明晃晃的出現了。
在觀測儀器開啟和關閉的兩種情況下,光子呈現出了兩種不同的性質,難道說光子還可以分辨觀測儀器的開啟和關閉嗎?小小的光子長眼睛了嗎?而且這個實驗還可以說是屢試不爽。
說到這讓我想起了中學時代,當時在學校上晚自習的時候,只要老師不在,大家是看小說的吃東西的聊天的什麼都有,但是老師一進門的時候看到的全是埋頭苦學的好學生。
因為早有眼尖的同學通風報信了,那麼回到這個改進版的雙縫實驗,難道不是說光子小朋友們也能知道有沒有誰在觀察它,然後依此展現出自己的不同特性嗎?
惠勒延遲選擇實驗
物理學家的興致就是被這個淘氣的光子給調動起來了。1979年的時候,美國的‘理論物理學家’惠勒提出了一個思想實驗,叫惠勒‘延遲選擇實驗’。
好了,今天的文章就到這裡,明天的下篇我會接著把更精彩神奇的實驗結果跟大家分享,如果您恰好也有自己的認知歡迎在下方評論區與我一起探討!