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    A-level考情分析丨物理考點解析-楊氏雙縫實驗背后的故事——平行宇宙學說

    關鍵詞:      瀏覽:      發布日期:2019-07-31 16:04

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          作者:曾鵬博

        曾鵬博:新航道北京學校主講名師,畢業于中央民族大學,物理系光電信息科學與工程專業,工科學士學位,輔修金融專業,曾獲得2018年中國科學院上海光學精密機械研究所直博offer,本科期間作為co-writer發表SCI論文于Catalysis Science&Technology,國家級大學生創新實驗計劃優秀結題擁有者,北京市大學生物理實驗競賽三等獎。

      考點楊氏雙縫實驗背后的故事:平行宇宙學說

      前段時間大火的《復仇者聯盟4》揭開了Marvel宇宙的第二階段。在復聯4里面讓人過目不忘的情節可能就是復仇者聯盟在鋼鐵俠的幫助下穿越量子隧道去到平行宇宙收集宇宙寶石。

      

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      而所謂的平行宇宙學說與我們在備考AP或者A-Level時所學的楊氏雙縫實驗的關系密不可分,甚至可以說,沒有楊氏雙縫實驗就沒有平行宇宙學說。但由于多種原因,考生們很難涉及到其背后真正的意義并體會其背后的奧妙,就導致了很多考生學了楊氏雙縫實驗后僅僅是學了而已。今天就讓我們解開楊氏雙縫實驗的神秘面紗,走進平行宇宙的故事。同時我們也將解密人類歷史上最慘的貓,薛定諤的貓。

      首先讓我們回顧下在A-Level艾德思AS階段教材里是怎樣描繪楊氏雙縫實驗的:

      

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      簡而言之就是兩束相干光通過兩條狹縫后,會在縫后后的屏幕上形成明暗相間的條紋,從而證明光是一種波,并在縫后發生了干涉相長和干涉相消。這就是我們常說的楊氏雙縫實驗。

      

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      (楊氏雙縫實驗現象)

      楊氏雙縫實驗被發明的一百年后,隨著科學的發展和理論的逐漸深入,人們開始思考物質是否也具有波動性(后來證明是存在的,也就是我們所學的物質波),于是科學家們開始使用電子來進行楊氏雙縫實驗。令人驚奇的是,電子在光屏上的分布和之前用光進行的楊氏雙縫實驗一樣具有類似的分布規律!

      

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      (使用電子進行楊氏雙縫實驗所得現象)

      這個現象讓當時的物理學界大為震驚:它證明了電子的波動性。這個現象讓科學家們迷惑不解,電子明明是實物粒子呀,為何會在通過狹縫后產生干涉條紋?就算科學家們承認電子之間能產生干涉,但是當科學家們改變策略讓電子一個一個地通過狹縫,讓單個電子沒有機會和其它電子產生干涉,最終得到的結果也是如此。更令人尋味的是,一個單獨發射的電子總要通過其中一條狹縫吧,那它又如何“知道”另外一條狹縫的存在的?它又如何“知道”已經發射了多少電子、還有多少電子將要發射?這些問題苦惱了科學家們很久很久。

      實際上,答案可能超乎你的想象。抓好你椅子上的扶手,讓我們揭示這背后不可思議的秘密(看戲)。

        對此,哥本哈根學派給出了答案:實際上,每個電子同時通過了兩個狹縫。在這個過程中,電子是以概率波的形式運動的。回到我們學過的知識點,光具有波粒二象性,有時候你要把光看成光波,有時候我們又要把光看成光子,光即具有波的性質也具有粒子的性質,只不過根據情形的不同,所突出表現的性質不同。同樣的,對于實物粒子我們也有對應的波動性,在我們日常生活里只不過我們肉眼看到的事物粒子性太強,以至于感覺不到其波動性。電子也是,電子也具有波動性,而且是一種概率波,簡單來講就是,電子在空間中的某一點在某一時刻出現的概率。

      那么我們就好理解了,既然電子跟波一樣,波能同時穿過兩個狹縫,那么電子也能唄,更別說在其后的光屏上形成明暗條紋了。可是此時聰明的科學家,指出了其中核心的問題:當科學家們架好實驗裝備直接觀測通過狹縫的電子時,明明只看到了一個電子只通過一個狹縫呀!

           哥本哈根學派并不因此而感到任何慌張,他們輕輕冷笑了一聲說:“呵,你看看,當你架好機器直接觀測通過狹縫的電子時,你的光屏怎樣了?”令人驚奇的另外一個現象發生了,當科學家們架好實驗裝備直接觀測通過狹縫的電子時,雖然觀測到了一個電子只通過了一個縫,但是隨之而來的是光屏上的明暗條紋消失了。

      哥們哈根學派解釋道,在科學家們觀測電子通過狹縫的實驗之前,電子處于同時通過兩條縫隙的疊加態(簡單理解就是相互重疊的兩個狀態),但是一旦科學家們去觀測電子的運動軌跡,那么我們的時空就進行了分裂,我們從一個宇宙分裂成了對應好幾個不同量子結果的平行宇宙,因此我們只能觀測到一個電子只通過了一個狹縫的結果。而之所以會形成干涉條紋,是因為當能夠引起宇宙分裂的粒子足夠少時,平行宇宙之間依舊存在著微弱的聯系,即左邊縫隙的宇宙隱隱約約能夠感應到右邊縫隙的宇宙,因此形成了干涉條紋。當粒子足夠多時,兩個宇宙間的聯系將會被切斷,所以當科學家、設備儀器等大量的粒子介入時,光屏上的明暗條紋消失了。(是不是覺得很扯淡,嘿嘿嘿,但是真的喲)

      這就是我們平行宇宙學說的基礎。

      在此,不得不提人類歷史上最慘的貓,薛定諤的貓。這是一個本用來打壓哥本哈根學派的思想實驗,卻不想最終成為了平行宇宙學說擴展到宏觀層面的思想作證。

      

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      薛定諤的貓是指將一只貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。也就是說,當我們不打開封閉容器進行觀測時,我們不知道鐳是否衰變,因此鐳處在衰變與不衰變的疊加態,進而氰化物處在釋放與不釋放的疊加態,最終貓處在活與死的疊加態。當我們一旦打開容器,宇宙就發生了分裂,我們只能在自己的平行宇宙里看到對應的一個量子結果,這只貓要么死要么活。

      這就是我們常說的薛定諤的貓。

      其實,這個道理很好懂,即使把它放在生活中。每當你思考“如果當時我沒有這么做該會是怎樣”實際上就是在思考平行宇宙學說。每當這個世界有一個選擇,這個宇宙就會分裂一次,可是我們無法顧及那么多我們無法改變的事情,就好像另外一個思想悖論“人能不能踏入同一條河流”一樣。我們要做的是珍惜眼前,努力把自己變成更好的人。比如考好A-Level或者AP。本次的考點背后的故事就到這里了。


    我要日.我要搞