分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

顛覆認知的電子雙狹縫實驗│科學史上的今天:5/26

量子力學巨擘波耳曾說:

「如果你沒對量子力學深感震驚的話,表示你還沒瞭解它。」

其實就算你不了解量子力學,一系列雙狹縫實驗的結果,也一定會讓你瞠目結舌,感受到波耳所說的震驚。

雙狹縫實驗最早始於英國物理學家楊氏(Thomas Young)。他於 1803 年在英國皇家學會發表他的研究:把光束射向一張紙卡上劃出的兩道狹縫,穿過狹縫的光線會在屏幕上形成明暗相間的條紋圖案;就像在池塘丟下兩顆小石子,在水面激起的漣漪向外擴散,彼此交會所形成的干涉現象。

如果如牛頓所說的光是由粒子組成,那麼穿過狹縫的粒子落在屏幕上的位置應該以兩道狹縫之間最多,然後往兩旁遞減;不可能忽多忽少而形成明暗相間的條紋。因此光一定是一種波,兩道光波的波峰與波谷彼此疊加或抵消,才造成斑馬線圖案。

六十年後馬克士威提出電磁方程組,賦予光就是電磁波的理論基礎後,更令楊氏的理論無可質疑。但是二十世紀初,量子力學又證明光也是粒子!不過這「波粒二象性」還不是最奇特的。1909 年,英國物理學家泰勒爵士(Geoffrey I. Taylor)重作楊氏的雙狹縫實驗,不過這次他將光源的強度減弱到最多只能發射一個光子,結果長時間累積下來,仍然形成一模一樣的干涉圖案。干涉是兩個波的交互作用,一次只有一個光子通過狹縫,它能跟誰干涉呢?

你或許會說光又沒有質量,所謂一個光子只是個概念,它仍然是以波的形態通過雙狹縫,出現干涉圖案也不稀奇吧?好吧,稀奇的來了。本日出生的德國物理學家勇松(Claus Jönsson, 1930 – )於 1961 年用電子取代光子作雙狹縫實驗;電子具有質量,是不折不扣的粒子,結果竟然還是出現明暗相間的干涉條紋!這個電子雙狹縫實驗不但顛覆了傳統認知,還開啟了後續一連串不可思議的實驗。

1974 年,幾位義大利物理學家做到一次只發射一顆電子,還是出現干涉圖案!難不成電子還會分身,一分為二穿過雙狹縫,否則它要跟誰交互作用呢?更奇怪的是,如果我們在這過程觀測雙狹縫,看看電子到底是通過左邊或右邊的狹縫,干涉現象就不見了!

有物理學家想到一個巧妙的方法:一次產生一個光子對,根據動量守恆原則,只要觀測往反方向飛去的光子就可以推知飛向屏幕的那顆光子是穿過哪道狹縫,如此就完全沒有觀測到雙狹縫這邊,總不會有影響了吧?

沒想到還是會消弭干涉條紋!至今科學家做過各種變種的雙狹縫實驗,甚至改用更大的巴克球,結果都是一樣:

粒子會與自身產生干涉作用,但一旦你想查明它的走向,干涉現象就會消失。好像它永遠知道是否有人在窺探它,而它只在沒有人看時才願意表現出神秘的自我干涉。

電子雙狹縫實驗完全體現了量子力學的哥本哈根詮釋;愛因斯坦如果還在世,波耳或許就能據以回答他的質問:是的,月亮在你沒看它時,可能不在那兒。也難怪電子雙狹縫實驗在 2002 年被票選為最美麗的科學實驗,而費曼也說它「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


泛科學院精選線上課程:科學思辨力

無論是自然環境或是社會體制,地球正在發生的改變難以預測是好是壞,但是我們可以確定,每個人都需要 科學思辨力 以迎接來得又快又猛的新時代🧠


泛科學院精選實體課程:兒童冬令營

報名泛科冬令營,幫孩子預約一個充滿科學和歡樂的寒假,從此愛上知識與學習!📚

關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策