网络空间中,不乏对这项试验的多种描述,多由科普者以易于理解的方式阐述,却也因此不免带来对实验的多种误解。本文将拨开迷雾,向大家揭示真实的双缝衍射试验到底是如何操作的,以及实验背后的真相。
首先,咱们先把实验的步骤梳理一遍:
一、电子双缝衍射实验的操作步骤
看似简单的实验过程:仅需配置一个电子枪,对准双缝进行射击,并在缝隙后方安放接收屏进行观察即可。实际操作却远比这复杂得多,而且需要极高的实验技术。接下来,我们就来探究一下实验前期那令人头疼的准备工作。
1.1、首要难题:连续、稳定且会聚的电子束
虽然电子束的产生并不难,我们熟悉的阴极射线管就能做到。但是,如何让灯丝在实验需求下稳定、可控地发射电子,例如单电子发射,这一点许多科研人员都表示怀疑。
另一个挑战在于,电子带有负电,它们会因相互之间的排斥力而散开,导致能穿过狭缝的电子数量减少。因此,电子束需要通过磁场进行引导,让它们在磁场的作用下沿着固定的方向运动。在20世纪20年代,这样的操作无疑是个巨大的挑战。
1.2、第二个难点:双缝的制作
如果缝隙不够细,电子衍射现象就不会出现。所以,制作出符合要求的、足够细的双缝成了实验成功的关键。那么,制作这样的双缝有多难呢?答案是:确实很难。缝隙需要细到什么程度?接近电子的波长,才能够明显地看到衍射现象。
为计算电子的物质波长,我们来做一下计算。在100伏特的电场中加速的电子,其运动速度如式子1所示,动量如式子2所示。由于电子速度远小于光速,不需要考虑相对论效应,可计算出动量如式子3所示。根据德布罗意公式,可以得出电子波长如式子4所示。我们知道1纳米等于10的负9次方米,这意味着在100伏特的电场中,电子的物质波波长为0.123纳米。
那这个数字代表什么呢?我们来看一下常见分子和原子的直径。氧气O2为0.353纳米、氮气N2为0.36纳米、碳原子为0.182纳米、铁原子为0.254纳米……显然,电子波长比这些常见分子、原子的直径还要小,我们根本无法制造出0.1纳米级别的缝隙。
那怎么办?聪明的科学家找到了一种方法,就是利用金属单晶体中原子间的间距作为双缝。戴维逊就是第一个做出这个实验的人,他使用了低能电子束,垂直撞击到镍单晶的表面。镍单晶的原子间距为0.215纳米,通过调整电子的加速电压来改变入射电子波长的变化。
这里直接给出双缝衍射方程:(a+b)sinφ=kλ(k=0,±1,±2……)。其中a表示缝隙的宽度,b表示缝隙的间距,λ为电子波长,k为主极大级数。即使有了镍单晶,制造这样的双缝装置也是一项非常困难的任务,这需要操作精度达到原子级别。
1.3、第三个难题:接收屏
我们有了电子源和可以产生衍射的双缝,接下来就是「观察」衍射条纹了,然而接收屏又是个难题。有人可能会说,用电视机显像管不就可以了吗?实际上,直接使用荧光屏是不可行的,因为电子波长太短,普通荧光屏的荧光物质颗粒太大,无法分辨出相邻的波峰和波谷。
科学家有两种方法应对这一问题:一是改造荧光屏,让荧光物质的颗粒小于条纹间距;二是利用电流法,通过电子在不同位置的吸收数量,在灵敏电流计上显示读数,最后通过数学计算来还原波峰波谷的位置。这种方法类似于法拉第筒的原理。
1.4、第四个难题:实验环境的影响
解决了前面的问题,是不是就可以做实验了呢?还不行。因为还有两个非常大的困难需要克服。首先,整个装置的真空度要高。因为电子质量小,如果实验环境中存在气体分子,就会和电子发生碰撞,看不到衍射后的干涉条纹。其次,环境的电磁场干扰也不可忽视,电子带电,在电磁场中会改变运动轨迹,导致我们看不到干涉条纹。
在开始实验之前,科学家还需要做三项处理:一是抽真空,二是电场屏蔽,三是磁场屏蔽。这些过程都不容易,如果要提高实验的精度,每一步都会非常耗时。
二、是否可以拍视频记录实验过程?
解决了所有问题后,实验终于可以开始了。有人可能会问,我们能否拍视频记录实验过程呢?答案是:做不到。因为在黑暗的房间里,我们需要开灯才能看到物体,而电子是看不见的,我们无法通过光线反射来观察它们的运动轨迹。因此,我们只能通过荧光屏或电流计来接收信息,通过数学计算来描绘出干涉条纹,然后在电脑屏幕上或打印出来。
三、电子双缝衍射实验的升级版
我们克服了所有困难完成了实验,看到了电子通过双缝后的衍射条纹,但新的困惑也随之产生。电子作为一个实体粒子,为何表现出波动性?是不是因为电子束中包含多个电子,电子间会相互干扰,从而产生干涉现象?接下来,我们将探讨五个加强版的电子双缝衍射实验。
3.1、单电子双缝衍射实验
如果之前的推理正确,那么一次只发射一个电子,就不会发生干涉现象。但事实却相反,即使一次只发射一个电子,干涉现象依旧出现。这该如何解释?一个电子怎么可能与自己发生干涉呢?难道电子有分身术?
3.2、单电子双缝延迟衍射实验
在之前的单电子双缝衍射实验中,整个装置处于屏蔽外界电磁场影响的真空中,我们无法观察到电子如何通过小孔进入双缝并投射到屏幕上。为了观察,科学家在双缝后安装了线圈,电子穿过线圈时会产生感应电流,通过观察连接线圈的电流表指针变化,就可以知道电子通过了哪条缝形成干涉。但奇怪的是,一旦放入线圈,干涉条纹就消失了,而取出线圈,干涉条纹又出现了,不管谁做,在哪里做,结果都一样。人们称之为单电子双缝干涉延迟实验。
3.3、量子擦除实验
现在将之前的电子双缝衍射实验再改造一下,确认可以产生干涉条纹后,小心操作一个缝隙的挡板直到干涉图样消失。这表明,因为可能获得路径信息,干涉图样被消除。但如果通过特殊程序擦除路径信息,干涉图样又会重新出现。
3.4、双源电子双缝衍射实验
之前我们说的是来自同一灯丝的电子,现在科学家用两个灯丝发出的两束电子流做了同样的实验。结果显示,使用两个电子源可以产生「双源干涉」。如果我们探测到电子源的路径信息,屏幕上就不会显示干涉图样;如果不探测路径信息,屏幕上就会显示干涉图样。这意味着,当我们看到屏幕上的干涉图样时,我们无法知道电子是从哪个灯丝发射出来的。
3.5、改变路径电子双缝衍射实验
在这个实验中,在原有的电子双缝衍射实验基础上,给双缝安装快门,实验中保持一条缝隙开放,另一条关闭。也就是说,电子只能经过两条缝隙中的一条。实验结果显示,只要电子的路程差允许到达探测屏,无论它们来自哪一条缝隙,干涉图样仍然可以被观察到。
四、电子双缝衍射实验的最大误读——观察会影响实验结果
从我们之前看到的电子双缝衍射实验来看,所谓的观察实际上是通过经典仪器与电子发生作用,如线圈、挡板、接收屏、法拉第筒等装置。这些都没有意识的参与,实际情况是,实验过程中,有很多科研人员在旁观看,他们的意识对实验结果不会有任何影响。
实际上,意识影响实验结果的观念来自一些科普者为了解释实验过程,而加入了自己的解读,用摄像头代替了实验中的检测手段。这导致了很多不明真相的人对实验过程和结果产生了严重误解。
从我们之前的检测过程很容易想到,电子穿过线圈时,会在线圈中产生感应电流,进而产生磁场瞬间作用于电子束,从而破坏了干涉条纹。这跟意识影响电子运动路径没有关系。