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双缝干涉实验是物理学史上最著名的实验之一。它由英国科学家托马斯·杨在1801年首次进行,用来证明光的波动性。实验装置非常简单,包括一个光源、一个有两条平行狭缝的挡板,以及一个用来观察结果的屏幕。
当光被视为波时,双缝实验展现出经典的干涉现象。每个狭缝都成为新的波源,发出圆形波。这两束波在空间中传播并相互叠加。当两个波的波峰相遇时,发生相长干涉,形成亮纹;当波峰与波谷相遇时,发生相消干涉,形成暗纹。这样就在屏幕上产生了明暗相间的干涉条纹。
双缝实验最神奇的地方在于,即使我们一次只发射一个光子,经过足够长的时间积累,屏幕上仍然会出现干涉条纹。这意味着单个光子似乎同时通过了两个狭缝,并与自己发生了干涉。这种现象展示了量子力学的核心概念:量子叠加原理和波粒二象性。
双缝实验最令人困惑的现象是测量对结果的影响。当我们在狭缝附近放置探测器来观测光子究竟通过了哪条缝时,神奇的事情发生了:干涉条纹完全消失,屏幕上只剩下两条与狭缝对应的亮线。这说明测量行为本身改变了量子系统的状态,迫使光子从叠加态坍缩到确定的粒子态。
双缝干涉实验是物理学史上最重要的实验之一。它不仅揭示了光的波粒二象性,证明了量子叠加原理的存在,还展示了观测行为对量子系统的根本影响。这个实验为量子力学理论奠定了坚实的实验基础,并推动了现代量子计算、量子通信等前沿技术的发展。它让我们认识到,微观世界遵循着与宏观世界截然不同的物理规律。