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79 历史上最烧脑的实验:双缝干涉实验

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光,到底是波还是粒子?爱因斯坦论证了光在光电效应的实验中必须被解释为粒子。但证明光是波的实验也有很多,其中双缝干涉实验是最著名的一个。

双缝干涉实验的设置是这样的:有一个光源,前面用一块板遮挡,板上面有两条缝,板的另一侧有堵墙。调节双缝之间的距离以及板与墙之间的距离,能看到墙上印出光的形状是明暗相间的条纹。

这说明,光在双缝干涉实验情况下体现出了波动性。因为,如果光是粒子的话,光子必然走直线,如此一来,应该只能在墙上看到两条明亮条纹。而用光的波动性便可以解释明暗相间条纹的现象:在墙上,不同位置的点到两条缝之间的距离不同,当这个距离差是光波波长的整数倍时,两条光波永远是波峰和波谷同时到达,会产生干涉相长的明亮条纹。而当距离差是光波半波长的奇数倍时,两条光波永远是反相位的,波峰一定遇到波谷,如此便会产生干涉相消的暗条纹。

现在,我们不用光来做这个实验,而是用电子来代替光做双缝干涉实验。根据波粒二象性的描述,电子也可以展现出物质波的特性。同样地,我们会获得电子的干涉条纹。但接下来要做的事情就比较神奇了。

我们安排电子一个个发射,看看最终所有电子都打到墙上会出现什么现象。结果实验做出来是,电子在墙上的分布依然形成了明暗条纹。也就是即便一个个地发射电子,每个电子在经过双缝的过程中,依然展现出了它们物质波的特性。现在我们想了解一件事,电子在经过双缝的时候,具体走的是哪一条缝呢?我们用一个探测器放在双缝前,看看电子到底进入了哪条缝。但奇怪的是,只要我们明确了电子具体经过了哪条缝,明暗相间的条纹居然消失了,只剩下两个区域有电子,刚好对应电子作为一个粒子走直线的情况。这个电子似乎知道我们在看它,一看它,它就变成粒子了。