神奇双缝干扰.doc

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神奇双缝干扰

延迟选择?神奇的双缝干涉实验 人们都认为,我们如今的世界是由过去的世界演化发展而成的,是经历了无数的历史事件之后的结果。这是我们所看到的事实,这也符合因果论。但现在有个实验告诉我们一个看似很荒唐的结论:我的现在的行为可以对过去产生影响! ?? 延迟选择实验是美国理论物理学家惠勒(John. A. Wheeler,1911-)在1979年提出的一个思想实验,它把哥本哈根学派的思想推倒了极端。 ?? 延迟选择实验是对玻尔—爱因斯坦辩论中曾讨论过的分光实验的推广,而分光实验,又是量子双缝实验的一个变形。 ? 1 杨氏双缝实验:光的实在性   光的双缝实验是托马斯·杨(Thomas Young)在1801设计的,初为双孔,后改为双缝。实验非常简单,在光源和接收屏之间放一个上面刻有两个平行狭缝的隔板,结果在接收屏上出现了光的干涉条纹。 ??? 牛顿把光解释为粒子,给它赋予一个实在性更强的本性。在当时的物理学看来,粒子是物质实体,而波只是物质的运动方式,其本身不具有实在性。但,杨氏实验则证明光是一种波,取消了光的实在性。 ????1905年,爱因斯坦的光电效应实验及其光量子理论,又复活了光的粒子说。1924年,德布罗意提出波粒二象性。1927年,电子的晶体衍射实验证明电子确实具有波动性。波和粒子这两种物质形态现在成为一个统一的物质实在的两种表象。双缝实验也可以用电子进行。同样,如果我们把光强减弱,使得从光源处发出的光不是一束光波,而是一个个光子,其结果类似于一个个电子的情形。   将实验条件进一步改造,光子将呈现出更为诡秘的性质。   (1)让光子一个个地发出,在前一个光子打在屏上之后,再让后一个光子发出。少量光子将在屏上形成随机分布的图案。随着光子的增多,屏上逐渐显示出与光子流(光波)的情形相同的干涉条纹来。 ??? 对此,可能的解释是:①将要发出的光子能够与已经打在屏上的光子发生干涉。但是这意味着一个尚未发生的事件能够与已经结束的事件发生作用,违反时间因果律。所以有②,每个光子都和自己干涉。这意味着每个光子自身都同时经过两个狭缝。则必须假设,光子是以波的形态通过狭缝的,故能与自己干涉。在打到屏上之前,又变成一个粒子,随机落到屏上某点。而这个随机点又遵从某种几率分布,使得大量光子呈现出干涉条纹。这种让一个光子同时走两条路的解释在宏观世界是不可能的。   (2)仍然让光子逐一发出,但是将双缝中的一个遮挡起来。少量光子仍然随机分布,而大批光子则呈现出单缝的衍射条纹。需要强调的是,两个单缝衍射条纹的简单叠加并不等于双缝的干涉条纹。即,光子有两种不同的运动规迹,单缝时衍射,双缝时干涉。问题是,单个的光子怎么知道前面是单缝还是双缝,从而做出运行规迹的选择? ??? 一个可能的解释是:①光子具有某种智能,它知道前面是单缝还是双缝。这显然不是一个物理学的解释。于是有②,每个光子都以波的状态通过缝隙,不论是单缝还是双缝。如果是双缝,就和自己干涉,如果是单缝,就自己衍射。但是这个解释仍然没有解释:光子怎么知道前面是单缝还是双缝。 ? 2?延迟选择实验:?分光实验 ??? 爱因斯坦借用麦克尔逊—莫雷的光行差实验装置,把双缝实验变成了分光实验,二者的物理意义是相同的。实验装置见图。?   图中,光子从光源I1发出,遇到一个镀银的半透镜BS1,按经典理论,则光波分成两半,各占50%。如果按量子力学分析,则光子反射和透射的几率各占一半,整个系统的波函数是两者的叠加。分成两半的光波或几率各半的光子经M1、M2两个反射镜反射,在I2处汇聚。在此,有两种方案。   其一:如图,在I2处放置两个方向的光子探测器D1、D2,不要图中的半透镜BS2。则如D1响,表明光子来自M1,如D2响,表明光子来自M2。探测器每响一次,完成一次测量。按照经典理论,我们相信这个光子在测量之前就已经存在,光子或反射,经M1到达I2处;或透射,经M2到达I2处。在某一个确定的时刻,光子必然处于某一条轨道的某一个位置上。但是我们不知道它究竟在哪个轨道上。需要通过测量进行反推。   其二:如图,在两探测器之前放置另一个半透镜BS2,来自M1或M2的光子再次一半透射,一半反射,并在此干涉。调整光程差,可以使达到探测器D1的干涉光因反相而相消,此探测器将不会接收到任何光子信号;同样方法可使达到探测器D2的干涉光同相而相加,只要光源发出光子,则必被此探测器接收。这样,每次测量都会表明光子是同时经过两条路线到达I2处的。因为只有这样才会有干涉现象发生。   在此,放还是不放第二块半透镜BS2,相当于在双缝实验中打开还是遮挡另一个狭缝,但更加简明。 ??? 如果不放第二块半透镜BS2,测量结果会表明,光子只是走过其中一条路线M1或M2到达I2处。如果放置第二块半透镜BS2,测量结果会表明,光子同时走过两条

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