電子是我們解釋自然現象的一個模型。沒人真正見過電子,但假設存在這麼一種東西的模型已被實踐證明很好用。在量子力學的模型裡,對於雙縫干涉這樣的雙路徑實驗,電子這樣的微觀物體可以同時透過兩條路徑或透過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體的物理行為的量子態發生相移,因此產生干涉現象。
拿電子和其它粒子做衍射和干涉是展示“微觀物體在具有粒子性的同時也具有波動性”,幫助人們更好地理解其性質與規律。拿單個電子、單光子之類做雙縫干涉是證明“一個粒子可以同時穿過兩條縫而對自身產生干擾”,體現出微觀物體的波動性與不確定性。
有些文章對網路上貼得到處都是的著名圖樣的來源闡述得不清楚。這是日本的外村彰帶領團隊在1988年做的電子干涉的圖樣:
該實驗使用雙稜鏡干涉機制,在兩塊相互平行的接地金屬板之間置入一條帶正電的細金屬絲,以電子束照射該裝置,用熒光屏收集抵達電子的相關資料。
圖中每一點表示一個電子抵達探測屏,但這不展示電子的粒子性,因為構成探測屏的是離散的原子而不是一大片平板時空。該圖樣可詮釋為電子波與離散原子間的相互作用,探測的動作造成電子波的坍縮。
在該實驗中,每秒約有1000個電子抵達探測屏,電子束中每兩個電子間的距離約為150千米,兩個電子同時存在於電子束髮射器與探測屏之間的機率微乎其微,不存在“射出的兩個電子之間的相互作用”。
對於“觀測粒子透過哪條縫會引起干涉圖樣變化”,哥本哈根詮釋認為,在粒子發射和粒子抵達探測屏這兩個時間點之間,粒子的位置無法被確定;如果人要確定粒子的位置,必須以某種方式探測它,這探測必然改變粒子的量子態,從而影響干涉圖樣。
費曼則對此提出了干涉的路徑積分表述。這是一種數學描述,不採用“粒子的唯一確定的運動軌道”這種經典概念,而是使用泛函積分計算出粒子的所有可能軌道的總和。假設一個粒子要從發射點A移動至探測屏的位置點B,A、B之間有兩條狹縫,則粒子的“所有可能路徑”包括同時經過兩條狹縫的路徑;如果人用探測手段來觀察粒子經過兩條狹縫中的哪一條,設探測手段對應的位置為點C,在點C觀察到粒子的時候,從點C到點B之間並沒有狹縫,所以不會有干涉圖樣。
2011~2012年,內布拉斯加大學林肯分校的物理系研究團隊實現了費曼在1965年描述過的雙縫思想實驗。該實驗使用的儀器可以隨意控制每一條狹縫的關閉與開放,測試了電子在以下三種狀況表現的物理行為:
第一條狹縫開放+第二條狹縫關閉,
第一條狹縫關閉+第二條狹縫開放,
兩條狹縫都開放。
實驗結果符合量子力學的量子疊加原理,展示出電子的波動性。
至於在這裡也可以遇到的某些萌頭不斷復讀的“只用一個電子能不能做出實驗”,這是對量子力學的基本設定不瞭解,乃至不知道自己瞭解不瞭解,顯得很呆萌。
在模型裡,任意兩個電子的物理性質都是一樣的。把一個電子打到熒光屏上再拿下來送回電子槍再打出去的反覆操作,跟一個個地發射多個電子產生的現象沒區別。
只拿單個電子也可以做出特定的量子力學實驗。電子可以在現代技術下分裂為2~3個準粒子:空穴子、自旋子和軌道子。“準粒子”是物質的運動產生的、表現出粒子特性的東西,而非“ 比電子更基礎的基本粒子”。說是“分裂”是因為電子在不同的空間位置各自表現出了自己性質的一部分。
電子之間因為帶有相同電荷而互相排斥。在非常擁擠的條件下,為了彼此穿過,電子必須改變行為。電子可以透過量子隧穿從金屬表面跳到靠近位置的量子線上,這時就能表現出上述“分裂”現象。
開篇已經談過,電子是我們用來解釋物理現象和做出預測的理論。人無法看到電子,但在各種實驗和預測中假設電子存在是非常管用的,以至於我們簡直覺得電子是確鑿存在的。在這類特殊的實驗中,假定電子可以分裂成幾個準粒子會更便於計算,這並不是說電子是“可以拆分的非基本粒子”。
人們早已知道雙縫實驗也可以用中子、原子等來做,使用的儀器不同,結果相似:每個單獨的微觀物體離散地撞擊探測屏,撞擊位置無法預測,表明整個過程的機率性;累積很多次撞擊事件後,總體顯示出干涉圖樣,表明微觀物體的波動性。
有些文章圍繞粒子行為故弄玄虛、鼓吹“意識決定”之類。其實1987年人們就已經發現,如果只獲得部分路徑資訊,干涉圖樣不會完全消失。這表明只要我們的測量手段不過度地干擾微觀物體的運動,干涉圖樣只會對應地被改變,不存在“意識一介入就必定發生”的作用。恩格勒-格林柏格對偶關係式對這方面的量子行為進行了詳細的數學論述。
2003年,人們讓碳60發生了雙縫干涉。2013年,人們讓810個原子組成的分子量超過10000的有機大分子發生了雙縫干涉。隨著技術提升,我們可以在越來越宏觀的東西上觀測到波動性。這證明物質波模型的適用範圍很廣,微觀物體與宏觀物體沒有絕對的界限。
2017年,在複雜的實驗儀器裡,人們觀測到粒子在裝置的不同部位突然消失和突然出現。有波粒二象性以外的模型可以對此進行解釋:時空中充斥著具有負質量和負能量的粒子,具有能量的粒子在這個新狄拉克之海里並無具體的位置,隨時可以被抵消和重建,所謂干涉是我們試圖描述它執行的平均狀況。
2016年,人們讓細菌表現出一定程度的量子疊加。2019年,人們讓分子量1886的短桿菌肽發生了雙縫干涉而沒有損害它的生物活性。如果技術繼續穩步發展,十年內一些病毒和較為小型的細菌就可以拿來做雙縫干涉了。這是試圖直接展示“宏觀物體乃至生命體也具有波動性”。