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量子力学

波粒二象性

一个个到达的点最终拼出干涉条纹;一旦观测路径,条纹消失变回粒子。德布罗意波长 λ = h/p。

一个电子,或一粒光,在没有人看的时候像铺开的波那样行动,一旦被探测到就变成打在一个点上的粒子。把这两张脸放在同一个画面上的实验是双缝。粒子一个一个到达,积成点,点聚起来就出现亮纹和暗纹。点聚得越多,波的花纹越显出来。还在。

每一个点是粒子落到一处的痕迹,积起来的整片花纹却是波的干涉。把缝距 d 收窄,条纹间距变宽,关系是 Δy = λL/d。λ 是德布罗意波长 λ = h/p,也就是从一个波峰到下一个波峰的距离,波数是 k = 2π/λ。一次只送一个粒子,送得再稀,同样的条纹还是会积起来,所以每个粒子干涉的是自己,不是别的粒子。每按一次 fire,就沿着干涉强度落下一簇点。点堆积的地方做出条纹,到得再稀,条纹也还留在那个位置上。

即使只有一条缝,波的本性也还在。光或电子穿过窄缝,会铺成一条宽的中央带,形状是 sinc² 包络。缝越窄,铺开反而越宽。把位置收窄,动量就变模糊,这是不确定原理的一张脸,也是限制一切透镜和显微镜分辨本领的衍射极限。拨动缝宽,窄缝就铺得更开。越窄越铺开,这个交换就是这张图的核心,也坐在每件想分辨细处的器具下面。

为了知道粒子走了哪条缝而打开路径探测器,会怎样。探测器关掉,条纹还在,看起来像波。打开,条纹消失,只留下平坦的带。不是探测器粗暴地推了粒子,而是一旦能知道走了哪条路径,干涉本身就被擦掉。事后再抹掉那份路径信息,条纹还会回来,实验已经确认。把开关拨到 ON/OFF,观测这一行为本身擦掉干涉,就显在眼前。知道路径这件事擦掉花纹,忘掉那条路径,花纹又回来。

被探测之前,粒子不是一个点,而是一团收紧的波,也就是波包,在往前走。时间过去,距离变远,这团波往旁边铺开,高度降低。铺开是因为里面几种波长成分各以略微不同的速度前进,所以自由粒子的位置随着时间越来越不确定。把传播距离加大,波包怎样变宽、怎样变模糊就看得见。走得越远,这团越模糊,那份模糊就是位置越来越没把握。

两张脸是同一个量子彼此补充的图。开关拨到波的一侧,看见光滑的波。拨到粒子一侧,就变成带着动量箭头的一个点。两张图都需要,却从不同时出现,这就是互补性。哪张脸出现,不取决于对象本身,而取决于我们选了哪种实验。尼尔斯·玻尔把这个想法整理成互补原理。来回拨开关,同一对象的两个侧面轮流出现。一次只露一张脸,另一张留在后面。

实际应用量子在没人看的时候是铺开的波,被探测到就是一个点上的粒子。双缝的条纹是波动性,一个点一个点落下的到达是粒子性,一看路径,干涉就消失。波长 λ = h/p 和波数 k = 2π/λ 是量波峰间隔的工具,两张图是互补的,所以不是一起出现,而是轮流出现。
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