每日科普（1）：量子力学中的观察者效应是什么？
老胡说科学2019-06-25 17:15
当你在世界上观察某样东西时，一棵树、一只鸟或任何其他东西，无论你在何时何地观察这个物体，它总是不变的。然而，如果我告诉你，你观察某只鸟的时间和方式会影响它的外貌，那会怎么样呢？这听起来很荒谬，但当涉及到量子领域的奇异定律时，荒谬是正常的。量子力学定律的工作原理与一般大小世界的物理原理非常不同。在我们理解观察者效应之前，我们先来看看量子物理的基本原理。
量子力学领域主要建立在三大支柱之上。第一个支柱是量子化特性，量子化属性给出了粒子的位置、速度、颜色和其他属性，这些属性只能在一定的时间和实例中出现。这与公认的经典力学领域的信念正好相反，即一切都发生在一个光滑连续的光谱中。这是科学家们发现的非常新颖的东西，最终把这些粒子命名为量子化粒子。量子力学的第二个支柱是光的粒子性质。起初，光可以作为一种粒子来表现和分类的概念遭到了巨大的批评，因为它违背了已经确立的原则，即光具有类似于波的性质。
然而，光的粒子性质带来了一个基本单位，它可以代表微小的能量包，被称为量子。这不是别人，正是阿尔伯特·爱因斯坦本人提出的。爱因斯坦假设，一个能量包可以被产生或吸收，作为一个整体，特别是一个电子想要从一个量子态跳到另一个量子态。量子力学的第三个也是最后一个基本支柱是物质的波性。虽然这可能很难消化，但物质也表现出类似波浪的性质。物质的波状本质是由两位科学家独立提出的，几乎是同时提出的，尽管他们对彼此的工作毫不在意。这两位曾经的发现者是科学家路易斯·德·布罗意和欧文·薛定谔。
他们用两种根本不同的数学方法来证明物质的波状性质。后来，两人的贡献都得到了认可，他们的想法被共同命名为海森堡-薛定谔模型。海森堡确实对量子力学做出了更重要的贡献。虽然没有基本支柱那么重要，但它确实发挥了重要作用，被称为海森堡测不准原理。他推断，由于物质的本质是波状的，一些性质，如电子的速度和位置，是互相补充的。简单地说，电子的每一种特性都有一个限度，在此限度内，可以同时以一定程度的准确度进行测量。
当量子“观察者”在观察时，量子力学表明粒子也可以表现为波。这对于亚微米级的电子是成立的，例如。在美国，距离测量不到一微米，或千分之一毫米。当表现为波时，电子可以同时通过势垒中的几个开口，然后在另一边再次相遇。这被称为干涉。现在，关于这个现象最荒谬的事情是，它只能发生在没有人观察它的时候。一旦观察者开始观察粒子穿过这个开口，得到的图像就会发生戏剧性的变化：如果一个粒子可以被看到穿过一个开口，很明显它没有穿过另一个开口。换句话说，当被观察时，电子或多或少被强迫表现得像粒子而不是波。因此，仅仅观察的行为就会影响实验结果。
为了证明这一现象，魏茨曼研究所制造了一个小于1微米的小装置，它有一个带有两个开口的屏障。然后它们向势垒发射电子电流。这个实验中的观察者不是人，他们使用了一个微小的电子探测器，可以发现经过的电子的存在。量子“观察者”探测电子的能力可以通过改变它的电导率或通过它的电流强度来改变，探测器对电流没有影响。即便如此，科学家们发现，探测器“观察者”在其中一个开口附近的存在，也会改变电子波通过屏障开口的干涉模式。
事实上，这种效应取决于观察的“能力”，当“观察者”探测电子的能力增加时，换句话说，当观察的水平上升时，干扰减弱；相反，当它探测电子的能力降低，观测减弱时，干扰增加。因此，通过控制量子观察者的性质，科学家们设法控制了它对电子行为的影响程度！
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