问题

为什么观测会影响双缝衍射的结果?

回答
在双缝衍射实验中,观测的动作之所以会影响结果,是因为“观测”这个行为本质上是与粒子发生相互作用,这种相互作用会改变粒子的状态,从而导致经典的波动性行为(干涉条纹)消失,转变为粒子性的行为(双峰)。

要详细解释这一点,我们需要深入探讨量子力学的核心概念:

1. 量子叠加态 (Quantum Superposition)

在没有观测之前,电子(或其他粒子)处于一种“叠加态”。 这意味着电子并没有一个确定的位置或路径。它同时“存在”于通过左缝和通过右缝的两种可能状态的叠加中。
想象一下,电子不是“穿过”左缝,也不是“穿过”右缝,而是以一种概率性的方式同时“穿过”了两个缝。
这种叠加态是量子力学独有的现象,在宏观世界中我们是无法想象的。

2. 波动性与干涉 (Wavelike Behavior and Interference)

当电子处于叠加态时,它的行为表现出波动性。这种波动性是指电子的“波函数”在空间中传播,并与自身的波函数发生叠加。
双缝的存在是产生干涉的关键。 就像水波经过两个缝隙会产生相互叠加,形成明暗相间的干涉条纹一样,电子的波函数经过双缝后,也会发生干涉。
在屏幕上,干涉的结果表现为明暗相间的条纹。亮条纹表示电子到达的概率很高(波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇),暗条纹表示电子到达的概率很低(波峰与波谷相遇)。
重要的是,这种干涉是“不可区分性”的体现。 也就是说,我们无法确定电子具体是通过了左缝还是右缝。正是因为这种不确定性,电子才能够以一种“同时通过”的方式产生干涉。

3. 观测 (Measurement) 与波函数坍缩 (Wave Function Collapse)

量子力学中的“观测”并非仅仅是被动地“看一眼”。 任何能够提供关于粒子状态(例如位置、动量)的信息的相互作用,都可以被视为一次观测。
当我们试图“观测”电子究竟通过了哪个缝隙时,我们就打破了它的叠加态。 所谓的“观测”意味着我们需要让电子与某种探测器(例如光子、电磁场)发生相互作用,以便“记录”下它通过了哪个缝。
这种相互作用会导致“波函数坍缩”。 在相互作用的那一刻,电子的叠加态“坍缩”成一个确定的状态。例如,探测器会发现电子要么通过了左缝,要么通过了右缝,而不再是同时通过。
一旦波函数坍缩,电子就失去了其波动性,转变为粒子性。 它就变成了一个具体的、在某个缝隙上的粒子。

4. 结果的改变:从干涉到双峰 (From Interference to DoublePeak)

如果我们在每个缝隙处都放置了探测器来“观测”电子的路径,那么干涉条纹就会消失。
这是因为,在任何一个电子通过时,探测器都会将其“捕获”并确定其路径。例如,如果我们发现一个电子通过了左缝,那么它就不可能同时通过右缝来与自身的“另一个版本”发生干涉。
因此,屏幕上的结果将不再是明暗相间的干涉条纹,而是两个独立的峰(对应于从左缝和右缝通过的粒子),类似于粒子沿直线运动时形成的图案。

为什么“观测”会产生如此大的影响?

这涉及到量子力学的测量问题 (Measurement Problem),这是一个非常深刻且仍在被探讨的领域。但核心思想是:

量子世界与经典世界的根本区别在于“确定性”和“概率性”。 在经典世界,物体有确定的位置和轨迹。在量子世界,直到被观测之前,粒子可能处于多种可能状态的叠加。
测量过程是量子世界与经典世界之间的一个“接口”。 测量是一种宏观行为,它强迫微观粒子放弃其量子特性,展现出经典性质。
信息与物理过程的纠缠。 “观测”意味着获取信息,而获取信息的动作必然涉及到粒子与观测设备的物理相互作用。这种相互作用的能量或动量交换,哪怕极其微小,也足以扰动粒子原本的量子态。

一个形象的比喻(但不完全准确):

想象一下你是一个非常灵活的舞者,你可以同时做出很多种优美的姿势。现在,有人在你周围拉上了很多绳子,要求你每次只能选择一个绳子来触碰。你就不可能再像之前那样自由地同时做出多种姿势了,你的动作会变得受限,并且一旦你碰到了一根绳子,你就被“确定”在了那里。这里的“绳子”就是观测的装置,而“碰触”就是观测行为。

总结一下,观测影响双缝衍射结果的根本原因是:

1. 量子叠加态: 在没有观测时,粒子处于同时通过两个缝的叠加状态。
2. 波动性: 叠加态导致粒子表现出波动性,从而产生干涉。
3. 观测行为的物理相互作用: 观测意味着粒子与观测设备发生物理相互作用。
4. 波函数坍缩: 这种相互作用导致粒子的叠加态坍缩成一个确定的状态(例如,确定了通过哪个缝)。
5. 失去干涉条件: 一旦粒子有了确定的路径,它就不再具备产生干涉的必要条件,其行为从波动性转变为粒子性。

双缝衍射实验是展示量子力学奇异性质(叠加态、波粒二象性、测量问题)的最经典实验之一,它深刻地揭示了我们对现实世界的理解需要超越经典的直觉。

网友意见

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题主的疑问,是被科普读物中关于双缝干涉的过度简化描述误导了。关于双缝干涉和观察,一般科普给大家的印象是这样的:

而实际上它是这样的:


众所周知,双缝处的观测会影响实验结果。

如果真的是众所周知,那么只能说大家都想错了。事实上,并非所有的观测都会影响实验结果。只有某些特定的、小心架设的特殊光学观测,才会产生这种影响。并且这种影响并不是视觉上直接能用肉眼看到的,而是通过数据分析和理论计算才揭示出来的。

那么何种观测才能产生“让干涉消失”的影响呢?是那种对光子路径的观测才行。这种观测绝不是“我们在双缝处放一个摄像机”就能够做到的。一个摄像机不可能完成“探测光子经过哪一个路径”这种任务。事实上,像光子这种东西,没有办法直接完成这种观测 - 因为直接的观测会把光子破坏掉。一般而言是通过BBO这种东西来间接完成。

我们可以略过具体的光学过程,对这个“干涉消失”过程做出一个简单描述。这里用电子干涉而不是光子干涉,因为这种变动会免去一些具体技术细节的不严谨,但是理论上是trivial的。

我们假设存在一个观察仪器A,A可以观察电子路径。我们假设A满足所有的量子演化规律 - A是一台量子仪器。当电子经过缝1的时候,它显示1,经过缝2时显示2,否则显示0.

那么,对于一个初始的仪器A,它的状态为0,这时一个电子经过缝1,他与观测仪器相互作用后的演化为:

如果电子经过缝2,则

只有这样,我们才能完成对电子的路径观测:电子路径信息与仪器状态关联起来了。对一个双缝实验,电子的波函数表示为:

首先,如果仪器不打开,意味着仪器与电子不发生任何相互作用,所以,不会以任何形式破坏干涉。

其次,仪器打开但不记录,对于电子-仪器的复合系统,它的复合波函数就是这样演化的:

此时它的空间波函数强度分布为:

其中,最后一项就是干涉项。

现在我们要求仪器能够严格区分路径信息 - 也就是说它能够对电子路径完成精确观测。那么这个仪器的量子态1和量子态2可以被我们完全区分开来(例如一个偏向左侧的指针和偏向右侧的指针),所以,

很显然,上式中所显示的干涉项消失了。也就是说,只要打开仪器,记录不记录都是一样的:干涉消失。

而这个 意味着什么呢?这意味着电子的路径与观测仪器形成了最大程度的量子纠缠

所以说,观察者的作用就是建立路径信息与观测仪器的信息关联。关联一旦建立,就会干扰干涉,无论观测结果有没有被记录、有没有被我们看到。

观察者可以是物理仪表、有意识的人类、或者是任何一种能够与电子路径形成纠缠的物理过程。

用通俗一点的语言来重新描述一下上面的计算,可以这样说:

1、完整的路径观测必然意味着就是电子路径信息与测量输出信息之间的一一关联 - 只有这样我们才能通过读取仪器来获知电子的路径。这也就是形成量子纠缠。 就意味着这个关联是最强关联,也就是最大纠缠。

2、双缝干涉,指的是两个电子路径之间的干涉。如果形成了纠缠,就意味着电子路径不再独立,而是与仪器状态不可分割了。此时的干涉,是(电子路径 仪器状态)的干涉,而不是单独的电子路径的干涉。(也就是说,是 和 之间的干涉,而不是原来的 和 之间的干涉)

3、而此时,屏幕上所看到的,只是电子的信息,而没有仪器状态的信息。我们观察到的“干涉信息”是不完整的。所以就看不到干涉。

4、只有当我们同时观测屏幕和仪器,才有可能把这个干涉给重新找到。但是这种过程需要特殊的测量手段和数据分析方法。具体讲就是coincidence counting,此处从略。

可以参考本人的小视频:

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