無法理解單電子雙縫幹涉是因為先入為主地認為電子是一個有着确定軌迹的微小球體。而認為微觀物質的行為無法理解,其實是因為把宏觀世界的運動規律想當然地安放到了微觀物質上。在宏觀世界中,“一個粒子是有着确定軌迹的微小球體”這一點是正确的。但是沒有任何的證據顯示,微觀物質也是如此。說到底,我們對世界的了解完全出自實驗。或者說,隻有通過實驗,才能知道這個世界到底是什麼樣子的。
為何單個電子通過雙縫會發生幹涉?
嚴格地說,我們不知道,而且我們永遠也不會知道。
當然,說到這,肯定會有人反駁:“單電子雙縫幹涉是因為電子具有波粒二象性”、“用量子力學就可以解釋”雲雲。不過先别急,容我慢慢說來。
很多人認為物理學(或者說科學)是探索世界的真理,尋找宇宙的本質的。但是,這樣的想法并不對。物理學能做的、一直在做的其實隻是更好的描述這個世界的運行規律,而各種各樣的理論是人類為了描述自然規律建立起來的一套工具。你隻能說,這個理論所給出的結果跟實驗符合得很好,但你不能說這個世界就是按照你的理論運行的。世界有自己的運行規律,而我們能做的就是盡可能精确的描述這樣的運動。比如說用牛頓萬有引力定律描述天體運動,用量子力學/量子場論描述微觀粒子的運動。這裡的萬有引力定律、量子力學等等都是理論。
所以再回到問題: 為何單個電子通過雙縫會發生幹涉?
回答就是我們不知道,這個宇宙就是這個樣子的。我們不僅不知道這個,也不知道為什麼地球繞着太陽轉,也不知道地球上物體為什麼會下落等。地球繞太陽轉,牛頓認為是因為萬有引力,但是這是本質嗎?我們可以問為什麼有質量就可以産生引力?廣義相對論認為,這是因為質量/能量引起時空的彎曲,造成了有引力的現象,那麼我可以繼續問,為什麼質量/能量引起時空的彎曲?......這就是一個套娃的過程,這樣的追問永遠不可能結束。
不過,我想這樣的回答肯定很多人都不會滿意。
别急,我們可以根據微觀粒子這樣的實驗現象,建立起一套自洽的理論,也就是量子力學,在量子力學這個理論框架中,我們能很好的解釋單電子的雙縫幹涉現象。但是首先,我們要抛棄掉“電子是一個有着确定軌迹的微小球體”這樣的思想。簡單地說,在量子力學的理論框架下,每個微觀粒子都對應着一個波函數,這個波函數控制着粒子的一切行為,包括粒子的分布。波函數會在空間傳播,會發生雙縫幹涉。波的幹涉我相信大家都很容易理解,而電子的波函數的幹涉最終的體現就是電子通過雙縫後,顯示屏上出現了明暗條紋,也就是幹涉現象。
應該說,“單電子通過雙縫後會在後面的顯示屏上出現明暗條紋”是我們的實驗發現,根據這樣的物理現象,我們總結出來了“電子通過雙縫會發生幹涉”以及“電子具有波粒二象性”。
”粒子性”表達的是一種顆粒性,但與“确切的軌道”沒有必然聯系;
“波動性”則是指波的“相幹疊加性”,具體表現在實驗中出現幹涉條紋,而與像水波一樣擴散或者往複運動等概念沒有關系。
上圖是電子雙縫實驗結果,從實驗中可以讀出:
1.電子打到顯示屏上的時候,是以一個“點”的形式出現的;
2.當顯示屏上積累了大量點的時候,這些點整體呈現出非常明顯的條紋狀結構。
可以看出,這個實驗結果非常明确的顯示了電子所表現出來的“粒子性”和“波動性”,這也就是我們常說的,電子具有“波粒二象性”。
最後,總結一下: 任何的物理概念,都應該有明确的意義或者達成共識的理解;
任何物質的性質,根本都是來自于實驗,所以對物質性質的判定歸根到底都應該從實驗現象出發;
任何的物理理論,都有适用範圍,所以在使用一個理論/概念的時候,都要小心其在讨論的範圍内是否适用。 能做到這三點,我相信很多物理中的問題都可以被很好地解決與理解。
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