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“真正”的单电子双缝干涉实验新鲜出炉

已有 39731 次阅读 2013-3-16 11:25 |个人分类:学术园地|系统分类:论文交流| 量子力学, 单电子双缝干涉

  最近New J. Phys.最新一期( http://iopscience.iop.org/1367-2630/15/3/033018 )发表了美国和加拿大研究人员做的一个单电子双缝干涉实验,一时似乎成了人们讨论和关注的热点。因为该实验所验证的内容涉及到对量子力学的基本理解。

      该论文的整体感觉是:简明、清晰。实验结果不错,被研究者宣称为真正实现了Feynman所构想的电子干涉”理想实验”,因为:(1)双缝是人工制造的( 缝宽64纳米两缝间距282纳米,具体见论文)(2)电子是单个的(一次采集一个点需要2个小时左右)。

       该论文一定会比较著名,不是因为其科学的创新度或将来的引用率,而是其结果将会成为量子力学教学方面的良好素材。该论文的实验图不仅清晰,而且其附录配有多个视频动画,用来做为给学生们演示电子具有波动性的素材是非常直观和适用的。不论别人如何,这篇论文的结果我是会用来演示电子的波动性质的。

       电子的双缝干涉射实验是一个各个时代都经常被演示的基础实验,其中1937年著名的 C.Davisson和G.P.Thomson的证明电子具有波动性的实验还获得过诺贝尔奖,似乎已经定性结题。但双缝干涉是波的一个重要性质,虽然在电子甚至大分子C60上的干涉实验也已经被Zeilinger等人做了,但对实验结果或者说物质波的理解一直以来还不是很清楚(宣称是清楚了,最著名的也就是费曼说的:电子它不单是波和也不单是粒子,不是你在经典宏观世界看到的任何东西),最主要的疑问是对单粒子干涉来讲有这样一句说法让人费解:“粒子确实是从两个缝里同时过去的”。

   由于对上面这个结论的理解,该论文同样遭受到热烈的讨论,除了有人指出该论文“在这样的已经定论的事情上花钱没意思”外(论文中人家已经承认这个工作创新意义没有多大),有人怀疑是不是同时经过那两个那么大的缝,当然有人说这个东西也不是什么微观世界的专利,宏观世界也有(参考文献: PRL 97, 154101(2006) ),有人还是怀疑电子是不是同时从两个缝中通过。当然也有人提出这篇论文对历史文献的查证不严肃完整(对费曼同志的理想实验有误读,会制造新的科学史传说)。

 对量子力学基本理论的研究热情似乎表明量子力学依然还没有成熟,当然已经没有多少人怀疑量子力学的统计概率解释,但诸如这篇论文所做而且不断在做的单电子衍射实验,虽然实验结果非常符合量子力学的理论计算(参照文献附录的数值模拟),但对电子到底从哪个缝里穿过依然不很清楚和理解,甚至有人还提出了量子力学的统一框架,在这个波粒二相统一的框架下这哥们不仅推导出了薛定谔方程,而且还断言德布罗意公式是不对的(只适用于静止质量等于0的光子),薛定谔方程是满足洛仑兹协变性的等等(论文链接如下:http://arxiv.org/abs/1103.1922,有兴趣帮助检验一下这篇长推导是不是正确,当然该论文还提供有详细的电子波动实验的历史文献和记录)。虽然波粒二相的图像似乎很清楚,著名的费曼同志不是说了嘛:电子既不是波,也不是粒子,它不是我们在经典宏观世界看到的任何东西,它就是这样,接受就行了,还能怎么解释。

  呵呵,对于单电子双缝实验的结果,你理解了吗?



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