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第八节 双缝干涉实验
作者:陈少毅 来源:本站原创 点击:178次 评论:0

作者简介:陈少毅,汉族。1962年5月4日出生,大学本科学历,中教高级职称,高级中学教师,现已退休。

第八节、双缝干涉实验

一、双缝实验介绍


量子力学里,双缝实验(double-slitexperiment)是一种演示光子电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。在这种更广义的实验里,微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径,从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移,因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。

克里斯蒂安·惠更斯提出惠更斯原理表明,波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络,这是光波传播的基本原理,可以预测光波在介质中的传播。从光源释出一连串的光波,就好似浮在水面上的浮标,被重复的拉起来,放下去,制成了水波在水面传播。惠更斯想出一种预测波前位置的方法,如右图所示,绘制一组圆心包含于一个波前的同半径圆圈,它们的切线,经过连接与平滑后,形成一条连续的曲线,这就是预测的波前位置。依照这方法,可以展示出一个平面波波前或一个圆形波波前怎样持续延伸。将惠更斯原理加以数学论述,奥古斯丁·菲涅耳证明了光波动说与光在介质内以直线传播的射线行为相符合,不存在任何矛盾之处。菲涅耳又对于衍射干涉现象,给出一个合理、完整的解释。


如右图所示 ,在任何时刻,用一个波前来代表那时刻所有从光源 a 传播出来的光波。通过两条狭缝后,波前衍散出来,在探测屏形成的干涉图样中,任何两个位置的距离

,会随着不透明板与探测屏的距离D而变;假若 D 增加,则

也增加;减小两条狭缝b,c之间的距离B,会增加条纹之间的距离;增加光波的波长,也会增加条纹之间的距离;狭缝的缝宽的尺寸必须适当,否则,单缝干涉效应会变得很显著,因此盖压过双缝实验效应;反过来说,假若狭缝太宽(例如,一座墙上的两扇普通窗子),则光波会直接投射过去,就观察不到干涉现象了。

在探测屏上观察到的明亮条纹,是由光波的相长干涉造成的,当一个波峰遇到另外一个波峰时,会产生相长干涉;暗淡的条纹是由光波的相消干涉造成的,当一个波峰遇到另外一个波谷时,会产生相消干涉。用方程表达,当以下关系成立时,会发生相长干涉:


其中, n是最大辐照度值(波峰遇到波峰,最大相长干涉的光波辐照度)的次序数(位于中央的最大强度值的次序数是n=1),x是条纹与中央之间的距离(称为条纹距离)。这方程只是一个近似。方程的成立依赖某些先决条件的成立。应用这方程于实验仪器,B 和 D 是实验参数, x可以由实验测量得知,有了这几个数值,就可以计算应该使用哪种波长的光波来制成双缝干涉。

随着科技的快速进步,现在已发展出来能够可靠地发射单独电子的物理仪器。使用这种单独电子发射器来进行双缝实验,可以使得在任意时间最多只有一个电子存在于发射器与探测屏之间,因此,每一次最多只有一个电子通过双狭缝,而不是一大群电子在很短时间间隔内挤着要通过双狭缝。值得注意的是,如右图所示,探测屏累积很多次电子冲击事件之后,会显示出熟悉的干涉图样。从这图样可以推论,单独电子似乎可以同时刻通过两条狭缝,并且自己与自己干涉。这解释并不符合平常观察到的离散物体的物理行为,人们从未亲眼目睹老虎在同时刻穿越过两个并排的火圈,这并不是很容易从直觉就能够赞同的结果。可是,从原子到更复杂的分子,包括巴基球,这些微观粒子都会产生类似现象。

假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于一条狭缝,通过狭缝后,冲击于探测屏,则在探射屏应该会观察到对应于狭缝尺寸与形状的图样。可是,假设实际进行这单缝实验,探测屏会显示出衍射图样,光束会被展开,狭缝越狭窄,则展开角度越大。如右图所示,在探测屏会显示出,在中央区域有一块比较明亮的光带,旁边衬托著两块比较暗淡的光带。

类似地,假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于两条相互平行的狭缝,则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样,如右图所示,在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。 19世纪初,托马斯·杨发表了一篇论文,《物理光学的相关实验与计算》(Experiments and Calculations Relative to Physical Optics),详细阐述这些实验结果。由于亮度分布可以用波的相长干涉与相消干涉这两种干涉机制来解释,意味着光是一种振动波,这促使光波动说被广泛接受,也导致17、18世纪的主流理论─光微粒说─渐趋式微。但是后来20世纪初对于光电效应的理论突破演示出,在不同状况,光的物理行为可以解释为光是由粒子组成。这些貌似相互矛盾的发现,使得物理学家必须想办法超越经典力学,更仔细地将光的量子性质纳入考量。

使用双缝实验与各种不同衍生的变版来检试单独粒子的物理行为,这方法已成为经典的思想实验,因为它能够清楚地探讨量子力学的核心谜题,它演示出对于实验结果的理论预测能力所不可避免的基础极限。

例如,稍微改变双缝实验的设计,在狭缝后面装置探测器,专门探测光子通过的是哪一条狭缝,则干涉图样会完全消失,不再能观察到干涉图样;替代显示出的是两个单缝图样的简单总和。这种反直觉而又容易制成的结果,使得物理学者感到非常困惑不解。帢斯拉夫·布鲁克纳(Časlav Brukner)与安东·蔡林格精简地表示如下:

观察者可以决定是否装置探测器于光子的路径。从决定是否探测双缝实验的路径,他可以决定哪种性质成为物理实在。假若他选择不装置探测器,则干涉图样会成为物理实在;假若他选择装置探测器,则路径信息会成为物理实在。然而,更重要地,对于成为物理实在的世界里的任何特定元素,观察者不具有任何影响。具体而言,虽然他能够选择探测路径信息,他并无法改变光子通过的狭缝是左狭缝还是右狭缝,他只能从实验数据得知这结果。类似地,虽然他可以选择观察干涉图样,他并无法操控粒子会冲击到探测屏的哪个位置。两种结果都是完全随机的。

尚未特别加以处理的光束是由很多光子组成的,为了要进一步了解双缝实验的物理行为,物理学者好奇地问,假设光子是一个一个的通过狭缝,那么,会出现什么物理状况?1909 年,为了解答这问题,杰弗里·泰勒爵士设计并且完成了一个很精致的双缝实验。这实验将入射光束的强度大大降低,在任何时间间隔内,平均最多只有一个光子被发射出来。经过很久时间,累积许多光子于摄影胶片后,他发现,仍旧会出现类似的干涉图样。很清楚地,这意味着,虽然每次只有一个光子通过狭缝,这光子可以同时通过两条狭缝,自己与自己互相干涉!类似地,电子、中子、原子、甚至分子,都可以表现出这种奇异的量子行为。

1961年,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松(Claus Jönsson)创先地用双缝实验来检试电子的物理行为,他发现电子也会发生干涉现象。1974年,皮尔·梅利(Pier Merli) ,在米兰大学的物理实验室里,成功的将电子一粒一粒的发射出来。在探测屏上,他也明确地观察到干涉现象。2002年9月,约恩松的双缝实验,被《PhysicsWorld》杂志的读者,选为最美丽的物理实验。

高希曼德尔实验


在实验中,激光将光子注入一块非线性晶体,产生纠缠光子对。因为进入警惕的光子生成光子对的方式是无穷多的(只要所生成的光子对的频率之和等于母光子的频率),所以只要把探测器屏幕放置在一定距离以内,就一定能接收到纠缠光子对。

在实验1中,只有一个微型探测器在屏幕上移动,如图实验1。高希和曼德尔等惊讶地发现没有出现干涉现象,因而单个光子并没有像杨氏双缝干涉实验所显示的那样呈现出干涉条文。


在实验2中(如图二),屏幕上有两个分开的微型探测器,当两个探测器分头在屏幕上移动时,仍然没有出现干涉条纹。接下来,高希和曼德尔将两个探测器和一个符合计数器连在一起,只有当两个探测器同时接收到光子时,计数器才会进行记录。现在把一个探测器固定在屏幕上,然后移动另一个探测器,这时候符合                           实验1

计数器记录下了一个清晰的干涉条纹,跟杨氏双缝干涉实验中的干涉条纹相似。

这个实验结果十分令人惊讶。虽然量子论表明单个光子会同时走两条路径,并且跟自己发生干涉,杨氏双缝干涉实验也证明了这一点,但是,纠缠光子的情况又有所不同。一对纠缠光子虽然是各自分开的,却仍然构成一个单一整体。有两个纠缠光子构成的单一整体处于两种状态的叠加态中,因此这个双光子能够跟自己发生干涉:并且只有当我们知道屏幕上两个不同位置同时发生的状况时,才会看见干涉条纹——也就是说要把两个纠缠光子当成一个整体来观察,才能看见我们所熟悉的明暗相间的干涉条纹。如果在两个远远分开的探测器处各安排一位实验员进行观察,他们必须将各自观察到的结果放在一起,才能发现干涉图像。如果两个实验员只是各自观察一个探测器,他们只会观察到一个个光子随即抵达探测器,没有干涉条纹,光子出现的平均频率不变。这一实验结果证明了关于量子纠缠的重要概念:把相互纠缠的量子视为各自独立是不对的。从某些方面来说,纠缠粒子没有各自独立的物理特征,他们总是作为一个整体来行动。

二、疑点

  1.双缝实验的计算式

是个近似值,并且符合公式的条件才能做出实验结果,如果光是个波那么无论什么波长的波都有可能出现相干和相消的情况。

2.电子双缝实验的显示屏测量的是光还是电子,如果用的是光感屏,那就不是电子的干涉,而是由电子影响光子产生的光的干涉,并不是电子本身的干涉。如果显示屏用的是电感屏,实验才是电子的干涉。

3.单电子双缝干涉实验,观测仪器对电子或光子有影响吗?如果有影响实验还成立吗?还成立吗?观测仪器放在电子源后,会产生干涉条吗?

 4.电子双缝干涉实验符合公式          吗?

 5.光是直线传播,为什么用的是声波或水波的图像,难道光波和水波和声波一样吗?

6.双缝干涉实验的双狭缝之间的宽度不到1mm如何能相干出如此宽的明暗条纹。而为什么缝宽了就没有明暗条纹了?

7.光的干涉如果是光的性质,那么就应该在各种情况下都能发生干涉,而不是像实验中有如此多的条件限制?就像光的反射随时随地都能作出。

8.双狭缝之间的宽度为什么要求的如此狭窄,只有0.3mm,?这很不正常,就像我们往水里扔石头,要想看到干涉现象,两个石头必须相距有一定的距离,我们才能清楚的看到两个水波的干涉现象,如果你把两块石头一起投到水里,你是绝对看不到两块石头引发的干涉现象的,可是光波为什么要很近才能发生干涉呢?


更新:2020/9/26 6:40:30 编辑:fengyefy
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