19世纪初,托马斯·杨通过光的双缝干涉实验,成功证明了光是一种波。20世纪初,普朗克和爱因斯坦开启了量子力学大门,提出光也是一种粒子,光具有波粒二象性。

 

受此启发,法国物理学家德布罗意提出了物质波概念,指出所有物质都同时具有粒子性和波动性。这一理论后来被戴维森和G. P.汤姆逊通过电子射线衍射实验证明。

 

电子射线衍射图案

 

电子确实是个波!

 

既然电子是个波,那么除了衍射,电子肯定也能够像光一样进行双缝干涉!学过量子力学的朋友应该都记得,在我们理解电子诡异的波粒二象性的时候,基本上都得拿出电子双缝干涉实验分析一通!

 

那么问题来了,电子双缝干涉实验到底是谁做的呢?这个在我们的物理学习过程中貌似还真的很少被提起!

 

十大最美物理实验(图片源自百度百科,这里按照时间先后排序)

 

事实上,电子双缝干涉实验可是位居十大最美物理实验之首。按理说,既然都拿第一了,这个实验和作者应该最出名才对,毕竟在任何比赛中,很多人可能只会记得冠军是谁。然而,物理不愧是物理,不走寻常路,其他九大最美物理实验甚至都是和作者姓名绑定在一起的,唯独排名第一的电子双缝干涉实验没有指明是谁做的,据说主要是难以考证了(年代最近的一个实验反而难以考证,像不像今天通讯手段如此发达,我们反倒越孤独了)。

 

目前来看,电子双缝干涉实验最早很有可能是1961年由克劳斯·约恩松实现的。出于好奇,小编也是特地去谷歌学术上搜索了一下约恩松论文的德文和英文两个版本。两个版本的引用次数加起来也就不到700次,跟现在动不动就引用成百上千次的材料类文章相比简直不值一提,怪不得影响力这么小。

 

图片源自克劳斯·约恩松论文的英文翻译版本

 

谷歌学术信息

 

为了制作电子干涉用的缝,首先在玻璃板上镀一层银膜,然后在银膜表面印刷聚合碳氢化合物条来控制缝的数量、宽度以及长度,最后通过电解池在表面覆盖一层铜。将铜箔机械剥离后,银膜和聚合碳氢化合物条留在玻璃板表面,而铜箔表面就会形成电子干涉需要的缝。

 

 

此时就可以进行电子干涉实验了,电子通过双缝或者多缝进行干涉后,将图像进行一定程度放大,就可以进行观测和分析了。

 

 

结果自然不出所料,出现了电子干涉实验图样,实验结果与理论计算结果吻合良好,证明了电子确实是个波,德布罗意的物质波理论是正确的。

 

电子干涉图样

 

这个实验看上去也没有那么难,为什么能够被评为十大最美物理实验之首呢?这是因为它仅仅使用了非常简单的仪器和设备,就揭示了最根本和深刻的量子力学概念。

 

这一刻起,物理学家用于讨论量子力学诡异性质的电子双缝干涉不再是一个纸上谈兵的思想实验,而是实实在在出现在了实验室里面,量子力学的正确性得到了更为有效的支撑。

 

还有就是,电子双缝干涉实验设备只是表面上与托马斯·杨通过光的双缝干涉实验类似。其实实验中电子的波长仅为0.05埃,每条缝的宽度仅为0.5微米,缝与缝之间的距离也仅为2微米,远远小于肉眼可见的尺寸,所有实验操作都得通过微观手段实现。此外,电子波长要远远小于缝的宽度,为了保证干涉现象出现,电子入射角度要非常接近90度。这些实验条件可要远比光的双缝干涉实验苛刻得多。

 

物理学的魅力就是这样,很多复杂的现象,最终往往能够通过一个简单方程或者实验去描述。尽管科学探索过程无聊而又曲折,可是一旦在真理的窗前刺破一个洞,往往能够让我们豁然开朗,沉浸在美丽的真理中!

 

最后,有无聊的童鞋也可以看看约恩松的原文,里面的介绍要比小编详细得多。

 

 

编辑:榛子さま

 

[1] Jönsson C. Electron diffraction at multipleslits [J]. American Journal of Physics, 1974, 42(1): 4-11. (英文版)

[2] Jönsson C. Elektroneninterferenzen an mehrerenkünstlich hergestellten Feinspalten [J]. Zeitschrift für Physik, 1961, 161(4):454-474. (德文版)