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全球焦点！为何单个电子通过双缝会发生干涉？

来源：宇宙探索 时间： 2023-05-13 06:43:42

无法理解单电子双缝干涉是因为先入为主地认为电子是一个有着确定轨迹的微小球体。而认为微观物质的行为无法理解，其实是因为把宏观世界的运动规律想当然地安放到了微观物质上。在宏观世界中，“一个粒子是有着确定轨迹的微小球体”这一点是正确的。但是没有任何的证据显示，微观物质也是如此。说到底，我们对世界的了解完全出自实验。或者说，只有通过实验，才能知道这个世界到底是什么样子的。

为何单个电子通过双缝会发生干涉？


(资料图片)

严格地说，我们不知道，而且我们永远也不会知道。

当然，说到这，肯定会有人反驳：“单电子双缝干涉是因为电子具有波粒二象性”、“用量子力学就可以解释”云云。不过先别急，容我慢慢说来。

很多人认为物理学（或者说科学）是探索世界的真理，寻找宇宙的本质的。但是，这样的想法并不对。物理学能做的、一直在做的其实只是更好的描述这个世界的运行规律，而各种各样的理论是人类为了描述自然规律建立起来的一套工具。你只能说，这个理论所给出的结果跟实验符合得很好，但你不能说这个世界就是按照你的理论运行的。世界有自己的运行规律，而我们能做的就是尽可能精确的描述这样的运动。比如说用牛顿万有引力定律描述天体运动，用量子力学/量子场论描述微观粒子的运动。这里的万有引力定律、量子力学等等都是理论。

所以再回到问题：为何单个电子通过双缝会发生干涉？

回答就是我们不知道，这个宇宙就是这个样子的。我们不仅不知道这个，也不知道为什么地球绕着太阳转，也不知道地球上物体为什么会下落等。地球绕太阳转，牛顿认为是因为万有引力，但是这是本质吗？我们可以问为什么有质量就可以产生引力？广义相对论认为，这是因为质量/能量引起时空的弯曲，造成了有引力的现象，那么我可以继续问，为什么质量/能量引起时空的弯曲？......这就是一个套娃的过程，这样的追问永远不可能结束。

不过，我想这样的回答肯定很多人都不会满意。

别急，我们可以根据微观粒子这样的实验现象，建立起一套自洽的理论，也就是量子力学，在量子力学这个理论框架中，我们能很好的解释单电子的双缝干涉现象。但是首先，我们要抛弃掉“电子是一个有着确定轨迹的微小球体”这样的思想。简单地说，在量子力学的理论框架下，每个微观粒子都对应着一个波函数，这个波函数控制着粒子的一切行为，包括粒子的分布。波函数会在空间传播，会发生双缝干涉。波的干涉我相信大家都很容易理解，而电子的波函数的干涉最终的体现就是电子通过双缝后，显示屏上出现了明暗条纹，也就是干涉现象。

应该说，“单电子通过双缝后会在后面的显示屏上出现明暗条纹”是我们的实验发现，根据这样的物理现象，我们总结出来了“电子通过双缝会发生干涉”以及“电子具有波粒二象性”。

”粒子性”表达的是一种颗粒性，但与“确切的轨道”没有必然联系；

“波动性”则是指波的“相干叠加性”，具体表现在实验中出现干涉条纹，而与像水波一样扩散或者往复运动等概念没有关系。

上图是电子双缝实验结果，从实验中可以读出：

1.电子打到显示屏上的时候，是以一个“点”的形式出现的；

2.当显示屏上积累了大量点的时候，这些点整体呈现出非常明显的条纹状结构。

可以看出，这个实验结果非常明确的显示了电子所表现出来的“粒子性”和“波动性”，这也就是我们常说的，电子具有“波粒二象性”。

最后，总结一下：任何的物理概念，都应该有明确的意义或者达成共识的理解；

任何物质的性质，根本都是来自于实验，所以对物质性质的判定归根到底都应该从实验现象出发；

任何的物理理论，都有适用范围，所以在使用一个理论/概念的时候，都要小心其在讨论的范围内是否适用。能做到这三点，我相信很多物理中的问题都可以被很好地解决与理解。

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