3、量子物理实验与基础原理探索

量子物理实验与基础原理探索

1. 背景介绍

量子物理诞生于20世纪初，是人类对自然最成功的描述之一。它的应用范围极其广泛，涵盖了从基本粒子层面到早期宇宙物理的诸多现象。许多现代技术都离不开量子物理，比如所有信息技术都基于对固体（特别是半导体）的量子理解，激光的运作则基于对原子和分子现象的量子认识。

然而，量子物理蕴含着许多违反直觉的概念和观念，这使得像费曼（R. P. Feynman）这样的科学家认为“如今没人能理解量子物理”，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）也评价该理论“毫无意义”。

起初，思想实验被用于探讨量子物理的基础问题。海森堡（Heisenberg）发明了伽马射线显微镜思想实验来阐释不确定性原理，尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在关于当时所谓原子物理的认识论问题的著名对话中，也大量运用思想实验来阐述观点。

到了20世纪末，情况发生了巨大变化。关于量子物理基础的实际实验大量涌现，这不仅有力支持了早期观点，还帮助我们深化了对量子现象的直觉理解。近年来，实验已经开始以全新的方式应用一些基本量子现象，例如量子密码学是量子不确定性的直接应用，量子隐形传态和量子计算则是量子纠缠（量子非局域性的基础概念）的直接应用。

2. 单粒子双缝实验

费曼曾说双缝实验“蕴含着量子力学的核心，实际上包含了唯一的奥秘”。虽然多粒子纠缠态暗示着更多奥秘，但双缝实验仍值得我们关注。以中子进行的典型双缝实验结果显示，中子的分布有两个显著特征：
- 观察到的干涉条纹与理论预测完美吻合，这表明该图案可被解释为一种波现象。干涉图案是两个概率振幅叠加的结果，粒子到达某观察点的总概率密度