量子的困惑：电子究竟是如何通过双缝的？

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量子物理
量子的困惑：电子究竟是如何通过双缝的？

[月亮与互补性] 尽管我们从逻辑上击败了互补性论证，捍卫了微观实在的尊严，但是这种微观实在图像的确太奇怪了，即使思想开放的人也需要更多的经验支持。那么，如果微观粒子的运动真的是非连续的，这种非连续运动能够通过直接的实验而清晰地显示出来吗？

我们以双缝实验为例，看一看它能否真的展现出“量子力学的惟一神秘”（费曼语）。为简单起见，我们讨论电子的双缝实验。如图所示，电子源在每次实验中只发射一个电子，通道w1与w2关于源对称，并与双缝相连。可以看出，如果电子的运动是非连续的，那么为了产生干涉图样它将会非连续地同时通过两条缝，而不是只通过一条缝。请注意，这里的“同时”并不是指同一时刻，而是指电子通过双缝的那段很短的时间。



图1 电子双缝实验

让我们先看一看通常的测量能否显示出电子的运动是非连续的。例如，我们在双缝处放置一个位置测量装置，如电子探测器，以便测量出电子究竟通过哪条缝。然而，可惜的是，这种测量只能显示出电子的时刻位置，即使在一条缝处发现了电子，我们也不能说电子就一定只经过这条缝；而且更糟糕的是，这种测量还将破坏掉双缝干涉图样，从而测量结果很难反映电子的实际运动情况。因此，通常的测量方式根本无法测量出电子实际通过双缝的运动情况。看来，我们必须找到一种新的测量方式，它不仅可以测量出电子在一段时间内的运动情况，而且还不会破坏双缝干涉图样。

图2 金属环方法

一种改进的方法是在两个通道之间放置一个金属环，由于电子经过通道时会在金属环中产生感应电流脉冲，从而通过测量金属环中的电流就可以测出电子通过两个通道时的运动情况。容易看出，如果电子只通过一个通道，金属环中将会产生电流脉冲，并且对于上下通道电流脉冲的方向正好相反。那么，如果电子非连续地同时经过两条通道时，金属环中的电流情况会怎样呢？表面上看来，由于电子经过上下通道时所产生的电流脉冲正好相互抵消，从而金属环中似乎不会产生电流，而如果不产生电流金属环也不会影响电子的运动，从而不会破坏干涉图样。这样，我们就可以通过观察金属环中的电流情况来测出电子实际上是否同时经过两条通道。

然而，根据量子力学规律，金属环中所产生的不同方向的电流脉冲将与电子经过不同通道的运动完全纠缠起来。当我们观察金属环中的电流脉冲时，由于测量坍缩过程的发生，我们只能随机地测到沿一个方向的电流脉冲，而不会测到两个脉冲相互抵消所产生的零电流结果，并且干涉图样也将被破坏。因此，上述方法仍然无法测量出电子经过双缝的实际运动情况。看来，非连续运动并不愿轻易显露自己。“大自然隐藏她的秘密，是因为她本性高傲”（爱因斯坦语），非连续运动在等待更聪明的方法。

1993年，阿哈朗诺夫（Yakir Aharonov）等物理学家于提出了一种新的测量方法，他们称之为保护性测量。利用这种测量方法，如果预先知道粒子的波函数，并采取一定的保护性措施，就可以在不破坏波函数的前提下测量出粒子的实际运动情况。由于在双缝实验中电子的波函数是已知的，因此原则上可以采取相应的保护性措施，使我们既可以测量出电子的真实运动情况，又不破坏电子的波函数，从而也不破坏双缝干涉图样。让我们看一看这是如何实现的。

图3 保护性测量方法

实验设置如图所示，在通道w1与w2的中间分别做一个可束缚电子的量子阱，要求电子可以在阱中停留足够长的时间以保证测量的完成；同时，在通道w1 与w2之间连接一根极细的微管作为保护势，以保护电子的波函数在测量中不会发生坍缩。然后，我们就可以用一种高精度的电荷测量仪对每个量子阱中的有效电荷进行较长时间的绝热测量（此过程引入的耦合能量近似为零）。根据保护性测量原理，测量结果将显示每个量子阱中的有效电荷都为e/2；同时，量子阱中的电子状态也不会被破坏，当电子离开量子阱并通过双缝后仍可以形成双缝干涉图样。

由于（在实验允许的范围内）测量时间可以任意选择，而每个量子阱中的有效电荷总是e/2，即电子在每个量子阱中总是停留相同的时间，因此，电子在每个量子阱中停留的时刻集必定是非连续的稠密集。于是我们发现，电子在两个量子阱中的运动的确是非连续的，而由于上述测量没有破坏电子的运动状态，这种非连续运动正是电子经过两个通道时的实际运动图像。

自从量子力学建立以来，关于微观粒子是如何通过双缝的问题一直未被真正客观地解决。尽管正统观点认为它已给出了满意的答案，但由于答案中并未给出粒子通过双缝的客观运动图像（实际上，这一图像的存在已为正统观点所否定），因此相信实在性的人们就一直在追问，“但是，粒子究竟是如何通过双缝的呢？”现在，新双缝实验终于可以给出一个确定的答案了，那就是：粒子是非连续地同时通过双缝的，而非连续运动也第一次可以在实验上被清晰地显示出来。

[本文选自《量子》，略有改动]
本文引用地址： http://sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=353927

slash034

我靠，你到底学什么的？你数学，化学，物理，生物，都沾边阿？21世纪的人才阿！

Bettencourt

实事求是地说，每一边都沾的很烂。

熊猫羊

很少同意楼上的观点，这次算一个

庄十三爷

很少鄙视除了怪叔叔之外的人。 楼上的那个看来要除外了。

熊猫羊，你爸喊你回柏林卖沙发，快去吧，别在博版闹腾了。