逾百年来,量子力学一直是科学界的争议焦点。对其提出质疑,实乃自然之举,科学之精神,正体现在对一切,特别是像量子力学这样颠覆性的理论的质疑上。

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量子纠缠的奇异、量子隧穿的神奇、电子双缝实验的奥秘、波粒二象性的迷思,以及量子力学的精髓——不确定性,它们共同将我们熟悉的经典世界颠覆得面目全非,甚至让现实本身也变得模糊不清,不确定其所。

在量子世界中,微观粒子既表现出粒子的特性,又展现出波的性质,这一点已为大众所熟知。那么,如何理解这一波粒二象性呢?一个实体怎能既是粒子又是波呢?

首先,我们来探讨何为粒子性?

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简而言之,就是事物的确定性。譬如,你此刻阅读这篇文章,这一事件是确凿无疑的。

而波的特性是什么?简单来说,即不确定性,一切只能通过概率来描绘。仍旧以你阅读这篇文章为例,你可能同时也在月球漫步,或是在比邻星与外星生物交流。你可能同时存在于两个相隔甚远的地点。

接下来,我们将探讨波粒二象性的奥秘。

以电子双缝实验为例,这个实验广为人知。科学家们逐一发射电子,这些电子穿过双缝,最终抵达缝后的屏幕。起初,屏幕上只显示孤立的条纹,这时电子展现出粒子性

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这不难理解,与我们在宏观世界的认知相符。电子如同宏观世界的固体球体,通过双缝后自然会在屏幕上留下孤立的条纹。

但连续发射电子并多次重复此过程,我们会发现孤立的条纹逐渐形成明暗相间的条纹模式,展现出了波动性。显然,电子在此表现出了波动性。

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那么,单个电子穿过双缝后为何会产生干涉条纹?唯一的解释是:该电子“同时”穿过了两条缝隙,并与自身发生了干涉。

这违背了我们的常识:单个电子怎可能同时穿过两道缝隙?

要理解这奇异的量子领域,我们必须彻底摒弃日常的认知和常识。你或许对“电子同时穿过两缝”感到惊讶,但这仅仅是奇异现象的序幕,更令人震惊的事实还在后头。

科学家们对这些反常现象充满好奇,他们也渴望知道单个电子是如何做到同时穿过双缝的。于是,他们自然想到在双缝旁安装摄像头来观察究竟。但结果往往是令人更困惑的!

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电子似乎能洞悉人类的意图,好像感知到摄像头的观察,立即转变为粒子性,干涉条纹消失了。一旦移除摄像头,干涉条纹又重现了。

科学家们机智地想到:如果观测行为影响了电子的选择,那么等到电子穿过双缝之后再进行观察,总该可以了吧?

这就是所谓的电子双缝干涉延迟实验。

结果,更让人困惑的现象出现了。即便科学家们在电子穿过双缝之后再进行观测,电子还是会表现出粒子性,干涉条纹同样消失了。

科学家们感到困惑:电子明显先穿过了双缝,而观测行为在后,后发生的事怎能影响先发生的呢?

也就是说,结果怎能影响原因?若真是这样,显然违背了常理。科学家们绝不会承认这一点。

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科学家们仍不甘心,他们又进行了更为精细的实验——量子擦除实验。

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实验过程较为复杂,我尽量简化说明。简单而言,就是利用光子的偏振性和量子纠缠的原理,采用两个纠缠态的光子(例如A和B)进行实验。一方面,科学家用光子B进行实验,同时“偷偷”地观察光子A,利用纠缠态获取光子A的相关信息。

科学家之所以这么做,是为了避免观测行为影响到光子A,所以采用了“间接观测”:只观测光子B,利用纠缠态获取光子A的信息。

不得不赞叹科学家们的机智。但似乎光子比科学家们更聪明,似乎早已看穿了一切“诡计”:即使科学家只观测光子B,不观测光子A,结果依旧如故:一旦观测光子B,光子A即表现出粒子性,干涉条纹消失。反之,则表现出波动性,产生干涉条纹。

是不是越听越迷惑?甚至开始质疑自己的智力?

不必如此!因为不解的不仅仅是你我,连爱因斯坦这样的伟人都会感到困惑!

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那么,该如何解释微观粒子的波粒二象性?量子世界的神秘现象又该如何解读?

目前,以尼尔斯·波尔为首的“哥本哈根派”所提出的“不确定性原理”得到了物理学界的广泛认可。该原理指出,量子世界的一切都是不确定的,我们永远无法同时精确地测量一个粒子的位置和速度,只能通过概率来描述。

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同时,波尔还提出了“互补原理”,简单地说,就是粒子的波动性和粒子性不会在同一次测量中出现,二者在某个时刻是相互排斥的,但在更高层次上又是统一的。

从专业角度来讲,不确定性原理从数学角度描述了物质的波粒二象性,而互补原理则像是从哲学角度解释了这一现象。不确定性原理和互补原理是“哥本哈根学派”的两大支柱。

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此外,路易·德布罗意提出了“物质波”的概念,认为世间万物皆有波动性,包括我们日常所见的宏观物体,都具有波动性。只不过由于质量庞大,波动性几乎无法显现,因而我们看到的物体总是以确定的粒子形态出现,从而造成了我们对世界的认知。