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A-level考情分析丨物理考点解析-杨氏双缝实验背后的故事——平行宇宙学说

关键词:      浏览:      发布日期:2019-07-31 16:04

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      作者:曾鹏博

    曾鹏博:新航道北京学校主讲名师,毕业于中央民族大学,物理系光电信息科学与工程专业,工科学士学位,辅修金融专业,曾获得2018年中国科学院上海光学精密机械研究所直博offer,本科期间作为co-writer发表SCI论文于Catalysis Science&Technology,国家级大学生创新实验计划优秀结题拥有者,北京市大学生物理实验竞赛三等奖。

  考点杨氏双缝实验背后的故事:平行宇宙学说

  前段时间大火的《复仇者联盟4》揭开了Marvel宇宙的第二阶段。在复联4里面让人过目不忘的情节可能就是复仇者联盟在钢铁侠的帮助下穿越量子隧道去到平行宇宙收集宇宙宝石。

  

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  而所谓的平行宇宙学说与我们在备考AP或者A-Level时所学的杨氏双缝实验的关系密不可分,甚至可以说,没有杨氏双缝实验就没有平行宇宙学说。但由于多种原因,考生们很难涉及到其背后真正的意义并体会其背后的奥妙,就导致了很多考生学了杨氏双缝实验后仅仅是学了而已。今天就让我们解开杨氏双缝实验的神秘面纱,走进平行宇宙的故事。同时我们也将解密人类历史上最惨的猫,薛定谔的猫。

  首先让我们回顾下在A-Level艾德思AS阶段教材里是怎样描绘杨氏双缝实验的:

  

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  简而言之就是两束相干光通过两条狭缝后,会在缝后后的屏幕上形成明暗相间的条纹,从而证明光是一种波,并在缝后发生了干涉相长和干涉相消。这就是我们常说的杨氏双缝实验。

  

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  (杨氏双缝实验现象)

  杨氏双缝实验被发明的一百年后,随着科学的发展和理论的逐渐深入,人们开始思考物质是否也具有波动性(后来证明是存在的,也就是我们所学的物质波),于是科学家们开始使用电子来进行杨氏双缝实验。令人惊奇的是,电子在光屏上的分布和之前用光进行的杨氏双缝实验一样具有类似的分布规律!

  

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  (使用电子进行杨氏双缝实验所得现象)

  这个现象让当时的物理学界大为震惊:它证明了电子的波动性。这个现象让科学家们迷惑不解,电子明明是实物粒子呀,为何会在通过狭缝后产生干涉条纹?就算科学家们承认电子之间能产生干涉,但是当科学家们改变策略让电子一个一个地通过狭缝,让单个电子没有机会和其它电子产生干涉,最终得到的结果也是如此。更令人寻味的是,一个单独发射的电子总要通过其中一条狭缝吧,那它又如何“知道”另外一条狭缝的存在的?它又如何“知道”已经发射了多少电子、还有多少电子将要发射?这些问题苦恼了科学家们很久很久。

  实际上,答案可能超乎你的想象。抓好你椅子上的扶手,让我们揭示这背后不可思议的秘密(看戏)。

    对此,哥本哈根学派给出了答案:实际上,每个电子同时通过了两个狭缝。在这个过程中,电子是以概率波的形式运动的。回到我们学过的知识点,光具有波粒二象性,有时候你要把光看成光波,有时候我们又要把光看成光子,光即具有波的性质也具有粒子的性质,只不过根据情形的不同,所突出表现的性质不同。同样的,对于实物粒子我们也有对应的波动性,在我们日常生活里只不过我们肉眼看到的事物粒子性太强,以至于感觉不到其波动性。电子也是,电子也具有波动性,而且是一种概率波,简单来讲就是,电子在空间中的某一点在某一时刻出现的概率。

  那么我们就好理解了,既然电子跟波一样,波能同时穿过两个狭缝,那么电子也能呗,更别说在其后的光屏上形成明暗条纹了。可是此时聪明的科学家,指出了其中核心的问题:当科学家们架好实验装备直接观测通过狭缝的电子时,明明只看到了一个电子只通过一个狭缝呀!

       哥本哈根学派并不因此而感到任何慌张,他们轻轻冷笑了一声说:“呵,你看看,当你架好机器直接观测通过狭缝的电子时,你的光屏怎样了?”令人惊奇的另外一个现象发生了,当科学家们架好实验装备直接观测通过狭缝的电子时,虽然观测到了一个电子只通过了一个缝,但是随之而来的是光屏上的明暗条纹消失了。

  哥们哈根学派解释道,在科学家们观测电子通过狭缝的实验之前,电子处于同时通过两条缝隙的叠加态(简单理解就是相互重叠的两个状态),但是一旦科学家们去观测电子的运动轨迹,那么我们的时空就进行了分裂,我们从一个宇宙分裂成了对应好几个不同量子结果的平行宇宙,因此我们只能观测到一个电子只通过了一个狭缝的结果。而之所以会形成干涉条纹,是因为当能够引起宇宙分裂的粒子足够少时,平行宇宙之间依旧存在着微弱的联系,即左边缝隙的宇宙隐隐约约能够感应到右边缝隙的宇宙,因此形成了干涉条纹。当粒子足够多时,两个宇宙间的联系将会被切断,所以当科学家、设备仪器等大量的粒子介入时,光屏上的明暗条纹消失了。(是不是觉得很扯淡,嘿嘿嘿,但是真的哟)

  这就是我们平行宇宙学说的基础。

  在此,不得不提人类历史上最惨的猫,薛定谔的猫。这是一个本用来打压哥本哈根学派的思想实验,却不想最终成为了平行宇宙学说扩展到宏观层面的思想作证。

  

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  薛定谔的猫是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。也就是说,当我们不打开封闭容器进行观测时,我们不知道镭是否衰变,因此镭处在衰变与不衰变的叠加态,进而氰化物处在释放与不释放的叠加态,最终猫处在活与死的叠加态。当我们一旦打开容器,宇宙就发生了分裂,我们只能在自己的平行宇宙里看到对应的一个量子结果,这只猫要么死要么活。

  这就是我们常说的薛定谔的猫。

  其实,这个道理很好懂,即使把它放在生活中。每当你思考“如果当时我没有这么做该会是怎样”实际上就是在思考平行宇宙学说。每当这个世界有一个选择,这个宇宙就会分裂一次,可是我们无法顾及那么多我们无法改变的事情,就好像另外一个思想悖论“人能不能踏入同一条河流”一样。我们要做的是珍惜眼前,努力把自己变成更好的人。比如考好A-Level或者AP。本次的考点背后的故事就到这里了。