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双缝干涉实验是量子物理学中最著名的实验之一。它由电子源、带有两条狭缝的挡板和探测屏组成。这个看似简单的实验却揭示了微观世界的奇特性质,包括波粒二象性、量子叠加和测量对量子系统的影响。
在经典物理学中,粒子和波的行为截然不同。经典粒子只能通过其中一条缝,在探测屏上形成两条对应的亮带。而经典波则同时通过两条缝,两束子波相互干涉,在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。这种差异帮助我们理解量子世界的奇特之处。
当我们用量子粒子如电子或光子进行双缝实验时,奇异的现象出现了。即使一次只发射一个粒子,长时间累积后,探测屏上竟然出现了干涉条纹!这似乎意味着单个粒子同时通过了两条缝,表现出波动性。这完全违背了我们的经典直觉。
为了弄清楚粒子到底通过哪条缝,科学家在狭缝处放置了探测器。然而,令人震惊的是,一旦我们试图观测粒子的路径,干涉条纹就消失了,取而代之的是两条经典的亮带。这表明测量行为本身改变了量子系统的状态,这就是著名的测量问题。
双缝干涉实验深刻地揭示了量子世界的奇特性质。它证明了微观粒子具有波粒二象性,展示了量子叠加态的存在,并揭示了观测行为对量子系统的根本影响。这个实验挑战了我们对现实的经典理解,为现代量子力学的发展奠定了坚实的实验基础。