楊云

摘? 要：該文由雙縫實(shí)驗(yàn)的邏輯性推理，在幾個(gè)著名的雙縫干涉拓展實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)粒子波動(dòng)性存在與否，提出了幾個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的變種實(shí)驗(yàn)。在皮爾·梅利實(shí)驗(yàn)條件下，在粒子喪失波動(dòng)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了恢復(fù)粒子波動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，觀察粒子的波粒二象性在空間運(yùn)行的表現(xiàn)狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取粒子波粒二象性轉(zhuǎn)化的條件，人為編輯控制粒子的波粒二象特性，獲取控制粒子在空間行進(jìn)路徑的技術(shù)。目前的光刻機(jī)受波長(zhǎng)影響，工藝在納米級(jí)別，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果故意破壞刻蝕粒子的波動(dòng)特性，獲取能改進(jìn)光刻精度的應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：粒子源;雙縫干涉;標(biāo)記

中圖分類(lèi)號(hào)：O43? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)變種實(shí)驗(yàn)的困惑

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是Thomas Young于1807年提出的，并且最早以明確的形式確立了光波疊加原理，第一次用光的波動(dòng)性解釋了干涉現(xiàn)象[1]。在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光源發(fā)出的光通過(guò)一條窄縫后，變成一個(gè)線光源，線光源照射到2條平行狹縫上，顯示屏上出現(xiàn)衍射產(chǎn)生的明暗相間的條紋，揭示了光的波動(dòng)性特征，實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

當(dāng)波在傳播的過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，其波陣面的一部分受到阻礙，這時(shí)光波繞過(guò)障礙物偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)強(qiáng)度不均勻的分布的現(xiàn)象稱(chēng)為光的衍射。

光的衍射可通過(guò)惠更斯—菲涅耳原理來(lái)解釋?；莞埂颇硎沁@樣表述的，在給定時(shí)刻，波陣面上的每一個(gè)未被阻擋的點(diǎn)起著次級(jí)球面子波（頻率與初波相同）波源的作用。障礙物外任一點(diǎn)上光場(chǎng)的振幅是所有這些子波的迭加。從惠更斯—菲涅耳原理出發(fā)，我們可以說(shuō)光的衍射就是當(dāng)光遇到障礙物時(shí)，其波陣面未被阻擋的點(diǎn)作為次波波源發(fā)出無(wú)窮列頻率相同的波，在障礙物外進(jìn)行迭加（即相互干涉）而形成所謂的衍射圖樣[2]。

在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)量子力學(xué)描述的粒子具有波動(dòng)性特征，粒子的波長(zhǎng)與粒子的動(dòng)量成反比。1961年，克勞斯·約恩松在此基礎(chǔ)上，設(shè)想利用基本粒子電子作為粒子源取代點(diǎn)光源，也觀察到了相同的干涉圖樣。克勞斯·約恩松進(jìn)一步驗(yàn)證，在光源位置放置受控電子源，讓電子一個(gè)一個(gè)的發(fā)射，探測(cè)屏上依舊有多條干涉條紋，好像一個(gè)電子可以同時(shí)穿過(guò)2條狹縫一樣，與自己形成干涉，這驗(yàn)證了基本粒子的波動(dòng)特性。

1974年，皮爾·梅利在克勞斯·約恩松干涉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。在雙縫的入口安裝了極高清的攝像頭，用來(lái)監(jiān)測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)情況，在將電子一個(gè)一個(gè)發(fā)射的同時(shí)，梅利教授通過(guò)監(jiān)視器觀看電子的運(yùn)動(dòng)情況，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：原本預(yù)想出現(xiàn)在探測(cè)器上的相互干涉的條紋消失了，電子如經(jīng)典粒子描繪的一樣，直線通過(guò)雙縫，并且留下了2條平行、對(duì)應(yīng)的亮紋，這驗(yàn)證了基本粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程表象的粒子特性。

2 從邏輯上分析雙縫干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將光子、電子等粒子一個(gè)一個(gè)通過(guò)狹縫，能觀察到干涉圖樣，在狹縫后面裝置探測(cè)器，觀察到粒子經(jīng)由的狹縫路徑信息，不管是什么形式的粒子，干涉圖樣都會(huì)完全消失，不再能觀察到干涉圖樣，在顯示屏位置只是顯示2個(gè)單縫圖樣。假設(shè)裝置探測(cè)器來(lái)觀察光子到底是從那一條狹縫經(jīng)過(guò)，獲得光子的路徑信息（光子被標(biāo)記了的路徑信息，不論是否真正讀取這路徑信息），則干涉圖樣會(huì)消失。這種標(biāo)記路徑信息的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出了粒子性與波動(dòng)性的互補(bǔ)原理。

帢?biāo)估颉げ剪斂思{（Caslav Brukner）與安東·蔡林格精簡(jiǎn)地表示如下。

觀察者可以決定是否在光子的路徑上裝置探測(cè)器。從決定為是否探測(cè)雙縫實(shí)驗(yàn)的路徑，其可以決定哪種性質(zhì)成為物理實(shí)在。如果選擇不裝置探測(cè)器，則干涉圖樣會(huì)成為物理實(shí)在。如果選擇裝置探測(cè)器，則路徑信息會(huì)成為物理實(shí)在[3]。皮爾·梅利實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

物理學(xué)者馬蘭·史庫(kù)理（Marlan Scully）與凱·德魯（Kai Drühl）在1982年最先提出量子擦除實(shí)驗(yàn)，1991年，史庫(kù)理、柏投·恩格勒（Berthold Englert）與賀柏·沃爾特（Herbert Walther）給出了實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的方法。1999年，實(shí)現(xiàn)了量子延遲實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：假設(shè)測(cè)得粒子的路徑信息，則觀察不到干涉圖樣，不管是否攪擾到粒子。但是，假設(shè)能夠用某種方法擦除路徑信息，則干涉圖樣又可以被觀察到。

從量子擦除試驗(yàn)和皮爾·梅利加探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在邏輯上存在看似矛盾的結(jié)果。在圖3量子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)中，如果在顯示屏顯示2條條紋的位置，開(kāi)2條構(gòu)成衍射條件的狹縫，使粒子源發(fā)出的粒子先經(jīng)由雙縫S1、S2，再經(jīng)由原來(lái)顯示屏位置開(kāi)的2條狹縫S3、S4，觀察此時(shí)粒子在顯示屏投影的影像。此時(shí)粒子相當(dāng)于經(jīng)過(guò)S1、S2，變成已觀察行徑路徑（路徑標(biāo)記）的線粒子源，喪失了波動(dòng)性，按照皮爾·梅利試驗(yàn)，在S3、S4后端的顯示屏?xí)@示平行S3、S4的2條條紋。粒子在通過(guò)S1、S2狹縫后，投影經(jīng)過(guò)S3、S4后，粒子行進(jìn)時(shí)忽略觀察路徑這一信息，或自然在S3、S4恢復(fù)波動(dòng)性構(gòu)成衍射條件，構(gòu)成按照克勞斯·約恩松實(shí)驗(yàn)條件，S3、S4后端顯示屏位置會(huì)顯示衍射及干涉圖樣構(gòu)成的明暗相間條紋，這就存在一個(gè)矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖3干涉實(shí)驗(yàn)條件來(lái)看，在量子標(biāo)記干涉實(shí)驗(yàn)中，在粒子經(jīng)過(guò)前雙縫S1，S2時(shí)，用觀察器觀察粒子經(jīng)由雙縫的路徑，根據(jù)皮爾·梅利實(shí)驗(yàn)結(jié)果：粒子喪失波動(dòng)性，表現(xiàn)粒子性，在原來(lái)顯示屏位置開(kāi)2條狹縫，后面增加顯示屏，該實(shí)驗(yàn)?zāi)M在粒子經(jīng)由狹縫路徑時(shí)，觀察這一行為使粒子獲得標(biāo)記經(jīng)由狹縫路徑信息的狀態(tài)，粒子獲取經(jīng)過(guò)雙縫路徑后，整個(gè)空間路徑的行進(jìn)特征，根據(jù)皮爾·梅利實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，粒子將失去波動(dòng)性，直線通過(guò)S3、S4雙縫，并且留下了2條平行、對(duì)應(yīng)的亮紋，如圖3推測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示。

在圖3實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，衍生出圖4的量子標(biāo)記recover干涉實(shí)驗(yàn)。帶電粒子如電子通過(guò)前雙縫S1、S2（標(biāo)記經(jīng)由的路徑信息），再通過(guò)電場(chǎng)對(duì)粒子加速，模擬克勞斯·約恩松實(shí)驗(yàn)中對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行發(fā)射加速的動(dòng)作，在電場(chǎng)不改變粒子行進(jìn)方向的情況下，模擬粒子源發(fā)射單個(gè)粒子，通過(guò)衍射狹縫的情況，整合到狹縫S3、S4所在的裝置中。那么根據(jù)克勞斯·約恩松實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粒子將表現(xiàn)波動(dòng)性，在顯示屏上會(huì)顯示干涉圖樣，如圖4推測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示。

3 雙縫及其變種干涉實(shí)驗(yàn)粒子波動(dòng)性特征

在圖3量子標(biāo)記干涉實(shí)驗(yàn)、圖4量子標(biāo)記recover這2個(gè)實(shí)驗(yàn)中，提出主觀破壞粒子波動(dòng)性，觀察粒子在空間行進(jìn)路徑的波利二相性的表現(xiàn)形式，以及粒子波動(dòng)性恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，這是一個(gè)需要驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從邏輯結(jié)果來(lái)看，0和1的結(jié)果都可能出現(xiàn)，在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)調(diào)整顯示屏、2片狹縫的位置、延伸狹縫片數(shù)量或者加入電磁場(chǎng)的方式，觀察粒子加入探測(cè)器獲取標(biāo)注狀態(tài)，以及電磁場(chǎng)等因素去除粒子標(biāo)記狀態(tài)的2種狀態(tài)變換，研究粒子在空間行徑路徑下粒子的波粒二象性轉(zhuǎn)換形式。

在單縫干涉的一系列實(shí)驗(yàn)中，雙縫其實(shí)驗(yàn)及其變種實(shí)驗(yàn)的邏輯結(jié)果見(jiàn)表1，其中粒子性為1，波動(dòng)性為0。

4 結(jié)論

該文在皮爾·梅利實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在顯示屏顯示圖像的位置開(kāi)孔及增加電磁場(chǎng)的拓展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了粒子的波利二相的表現(xiàn)特性，掌握了粒子波動(dòng)性存在、消失及恢復(fù)的條件。邏輯上驗(yàn)證了路徑狀態(tài)與粒子波動(dòng)性的關(guān)系，獲取了粒子可編輯的路徑信息，有意破壞粒子的波動(dòng)特性，用電磁場(chǎng)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行加工，掌握了粒子在特定條件空間的運(yùn)行軌跡，掌握了喪失波動(dòng)性的粒子行徑路徑的技術(shù)。

該文提出的變種實(shí)驗(yàn)故意破壞粒子的波動(dòng)性，在掌控粒子行徑路徑技術(shù)的基礎(chǔ)上，能做到對(duì)粒子的搬運(yùn)加工，目前光刻機(jī)受限于光源的波長(zhǎng)特征尺寸，工藝在納米級(jí)別。電磁場(chǎng)的控制下，設(shè)計(jì)破壞粒子的波動(dòng)特性，做到對(duì)粒子路徑的掌控，理論上是可以做到在基本粒子級(jí)別上加工制造基礎(chǔ)邏輯電路的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]趙曉春.光的單縫衍射與光的雙縫干涉的本質(zhì)初探[J].物理教師，2013，34（2）：58-63.

[3]Greene Brian.The Elegant Universe： Superstrings，Hidden Dimensions，and the Quest for the Ultimate Theory[M].New York City：W.W.Norton & Company，1999.