探討雙縫實(shí)驗(yàn)

秦勝華

（漯河市召陵區(qū)姬石鄉(xiāng)宋寨村，河南漯河462025）

探討雙縫實(shí)驗(yàn)

秦勝華

（漯河市召陵區(qū)姬石鄉(xiāng)宋寨村，河南漯河462025）

由單電子、單光子雙縫實(shí)驗(yàn)提出:電子、光子不但具有波粒二象性，而且還具有二位一體的性質(zhì)。電子、光子很可能是多位一體的，只在雙縫實(shí)驗(yàn)中才表現(xiàn)為二位一體的現(xiàn)象。電子二位一體的性質(zhì)否定了多世界解釋，光子二位一體的性質(zhì)否定了惠勒的延遲實(shí)驗(yàn)。

雙縫實(shí)驗(yàn)；波粒二象性；二位一體；多位一體；多世界解釋；延遲實(shí)驗(yàn)

雙縫實(shí)驗(yàn)告訴我們：當(dāng)很多電子通過雙縫向偵測屏發(fā)射，在偵測屏上得到的卻不是兩條豎線圖案，而是像一個(gè)水波條紋干涉圖案。人們可以很容易解釋所產(chǎn)生的干涉圖案，因?yàn)檫@些電子會(huì)互相地干涉，假若電子是一個(gè)一個(gè)發(fā)射出來，在每一單位時(shí)間內(nèi)，平均只有一粒電子被發(fā)射出來。每一個(gè)電子通過兩條狹縫后，電子會(huì)顯示于偵測屏的某個(gè)位置，累積許多電子在偵測屏的位置，顯示于偵測屏的干涉圖案與原本的電子雙縫實(shí)驗(yàn)圖案相同。這說明波動(dòng)現(xiàn)象不是和很多粒子同時(shí)存在聯(lián)系的，似乎波動(dòng)性是各個(gè)粒子具有的性子［1］，這也說明單獨(dú)的電子好像可以同時(shí)通過兩條狹縫并有獨(dú)自干涉自己的可能，難道一個(gè)電子真的可以同時(shí)通過兩個(gè)狹縫，從而自己與自己產(chǎn)生干涉？更不可思議的是：當(dāng)我們試圖確定電子究竟是通過哪條縫，不論采取何種先進(jìn)手段，干涉圖樣立即消失，這些匪夷所思的現(xiàn)象究竟意味著什么呢？

1　提出了電子既有波粒二象性，又具有二位一體的性質(zhì)

單個(gè)電子是如何通過狹縫，事實(shí)上，我們不可能從實(shí)驗(yàn)上測知電子到底是通過了哪個(gè)縫，對于這個(gè)問題，就有著不同的解釋。

A.兩個(gè)不同世界的配對電子之間的干涉，這就是量子論的“多世界解釋”［2］。這個(gè)解釋有些玄學(xué)的味道。在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)在我們這個(gè)真實(shí)世界有一電子穿過了雙縫中的一個(gè)狹縫，那么，在另一個(gè)真實(shí)的世界，就有另一個(gè)電子同時(shí)穿過了另一個(gè)狹縫。電子的干涉被理解為兩個(gè)平行世界的干涉。

B.在雙縫實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)縫1與縫2是分別打開的，電子出現(xiàn)在接收屏x處的概率分別是：

P1（x）=|ψ1（x）|2，P2（x）=|ψ2（x）|2

當(dāng)縫1與縫2同時(shí)打開，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，電子出現(xiàn)在接收屏x的概率可以描述為：由電子槍發(fā)出的單態(tài)電子，在到達(dá)雙縫后變成雙態(tài)電子，兩條路徑的兩個(gè)電子態(tài)ψ1（x）和ψ2（x）的相干疊加形成干涉圖樣，即單個(gè)電子同時(shí)通過雙縫并與自己發(fā)生干涉。換句話說，單個(gè)電子一分為二的通過了雙縫，這應(yīng)該是現(xiàn)行量子力學(xué)教科書最權(quán)威的解釋［3］。

P（x）=|ψ（x）|2=|ψ2（x）+ψ2（x）|2

=P1（x）+P2（x）+2Re（ψ1（x）ψ2（x））

這個(gè)解釋也不十分完美，在實(shí)驗(yàn)中常常把電子理解為不可分的經(jīng)典粒子。雙縫實(shí)驗(yàn)中，狹縫縫距為1μm，經(jīng)典電子半徑為2.82×10-15m。如果每個(gè)電子是以粒子的狀態(tài)通過狹縫的話，不管是通過哪一條縫，總是只能穿過其中的一條，這時(shí)另一條縫的存在與否對這個(gè)電子的穿過行為并不產(chǎn)生影響。累積許多電子在偵測屏的位置數(shù)據(jù)，在偵測屏上得到的應(yīng)是兩條豎線圖案，而事實(shí)卻類似一個(gè)水波條紋干涉圖案。

如果探測電子是從哪條縫過來的，結(jié)果很意外：每個(gè)電子都只穿過一條縫，從不可能有實(shí)驗(yàn)在兩個(gè)縫上同時(shí)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)電子［3］。實(shí)驗(yàn)之所以如此匪夷所思，正是對電子位置的測量、使原來從兩條縫“同時(shí)”穿過的電子狀態(tài)發(fā)生突變，塌縮成為僅從一條縫穿過的狀態(tài)。所有實(shí)驗(yàn)表明，每次位置測量的結(jié)果，確實(shí)說明電子只從一條縫通過；但卻并不能表明，做這類辨認(rèn)測量之前，電子在客觀上也是只從一條縫通過［3］。

雙縫實(shí)驗(yàn)傳出的最重要的信息是幾率幅：ψ（x）到達(dá)x點(diǎn)有兩條可能的路徑，相應(yīng)于兩個(gè)幾率幅ψ1（x）與ψ2（x），在x點(diǎn)找到電子的幾率正是這兩個(gè)幾率幅之和的模平方?；谝陨戏治觯疚奶岢觯旱谝?，電子不但具有波粒二象性，同時(shí)也具有二位一體的性質(zhì)。第二，電子的二位一體是指一個(gè)自由電子本身就是由兩部分組成，只有在受到干擾時(shí)才會(huì)塌縮為一個(gè)完整的粒子形象。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，電子槍發(fā)出的每個(gè)電子本身就是兩部分，一部分以幾率幅ψ1（x）表示，另一部分以幾率幅ψ2（x）表示。它們分別通過雙縫，這兩條路徑的兩個(gè)電子態(tài)ψ1（x）和ψ2（x）的相干疊加形成干涉圖樣，即單個(gè)電子同時(shí)通過雙縫并與自己發(fā)生干涉。

2　提出了光子既有波粒二象性，又具有二位一體的性質(zhì)

雙縫實(shí)驗(yàn)中，假若，光子是一個(gè)一個(gè)地發(fā)射出來，在每一單位時(shí)間內(nèi)，平均只有一個(gè)光子被發(fā)射出來。每一個(gè)光子通過兩條狹縫后，這光子會(huì)顯示于偵測屏的某個(gè)位置。累積許多光子在偵測屏的位置數(shù)據(jù)，顯示于偵測屏的干涉圖案與原本的雙縫實(shí)驗(yàn)圖案相同。這說明光子不但具有波粒二象性，還具有二位一體的性質(zhì)。

3　小結(jié)

在雙縫實(shí)驗(yàn)中，電子槍發(fā)出的每個(gè)電子本身就是兩部分，一部分以波幅ψ1（x）表示，另一部分以波幅ψ2（x）表示。那么量子論的“多世界解釋”就是錯(cuò)誤的，也就不存在兩個(gè)不同世界的配對電子之間的干涉?；堇仗岢龅难舆t選擇實(shí)驗(yàn)是量子雙縫實(shí)驗(yàn)的一個(gè)擴(kuò)展，該實(shí)驗(yàn)指出，我們可以“延遲”光子的決定，觀察者現(xiàn)在的行為可以決定光子過去是走一條路線還是走兩條路線［4］，此種說法顛覆了事件的因果關(guān)系。由于光子具有二位一體的性質(zhì)，一個(gè)光子在傳播過程中既可以走一條路線，又可以走兩條路線。因此，在惠勒的延遲實(shí)驗(yàn)中，觀察者現(xiàn)在的行為決定光子過去是走一條路線還是走兩條路線就是錯(cuò)誤的，觀察者現(xiàn)在的行為只能決定光子現(xiàn)在是走一條路線還是走兩條路線?；蛟S，電子、光子本身就是多位一體的，只在雙縫實(shí)驗(yàn)中才表現(xiàn)為二位一體的現(xiàn)象。電子、光子的多位一體是指電子、光子本身就是由很多基本粒子組成，只有在受到干擾時(shí)才會(huì)塌縮為一個(gè)完整的粒子形象。

［1］褚圣麟.原子物理學(xué)［Μ］.北京：高等教育出版社，1979：89-90.

［2］H.Everett III."Relative State"Formulation of Quantum Mechanics［J］.Rev.Mod. Phys，1957，（29）：454-462.

［3］張永德.量子力學(xué)［Μ］.北京：科學(xué)出版社，2008：4-7.

［4］John A.Wheeler.At Home in the Universe［Μ］.American Institute of Physics，1994：112.

［5］譚毅.夫瑯禾費(fèi)單縫衍射實(shí)驗(yàn)的仿真研究［J］.物理通報(bào)，2011，（06）：83-84.

［6］夏玉珍.單縫衍射圖像的仿真與研究［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2011，（04）：111-112.

［7］馬湘東.三維空間單縫衍射、光柵衍射、雙縫干涉和N縫干涉實(shí)驗(yàn)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2005.

［8］陶瑩，劉曉靜，王清才，等.光雙縫衍射的量子理論［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2011，（04）：94-95.

［9］張國前，薛紅.光場相干性探討［J］.固原師專學(xué)報(bào)，2001，（06）：77-78.

Discussion on double-slit experiment

QIN Sheng-hua
（Songzhai Village of Jishi County，Shaoling District，Luohe City，Luohe 462025，China）

Single electron and single photon double-slit experiment propose that electrons and photons have characteristics of wave-particle dualism as well as two-in-one property.Electrons and photons are likely to have two-in-one feature in double-slit experiment.Characteristic of electron two-in-one has denied multi-world interpretation，and characteristic of photon two-in-one has denied delay experiment of Wheeler.

Double-slit experiment；Wave-particle dualism；Two-in-one；All-in-one；Multi-world interpretation；Delay experiment

秦勝華（1973-），男，河南漯河人，喜歡讀物理學(xué)與哲學(xué)書籍，也喜歡物理試驗(yàn)。申請過兩項(xiàng)專利，其中七彩虹燈罩專利的原理被編入北京師范大學(xué)出版社出版的八年級物理教師教學(xué)用書。

O431.2

A

1674-8646（2016）14-0006-02

2015-12-15