我們高中的時候知道雙縫干涉實驗。早先的時候,托馬斯楊的雙縫干涉實驗有力地支持了光的波動性;現如今,雙縫干涉實驗被用作實驗室觀測量子力學里物質的波動性和粒子性。雙縫干涉實驗衍生出了各種各樣的變種,成為各大實驗室里的常客,如量子擦除實驗,單獨粒子干涉實驗等等。
最近,科學家們又使用反物質實現了雙縫干涉實驗,完成了反物質干涉的第一次觀測,再次證明了雙縫干涉確實是量子效應造成的。
圖1 實驗原理圖
科學家們使用Na的同位素beta衰變,得到3eV能量的正電子植入單晶鎢膜上,然后通過純靜電系統把正電子加速到16keV,隨后通過兩個2毫米寬相隔10.2厘米的準直器,又連續通過兩個硅化氮制作的衍射光柵,可以等效產生大約6μm的周期性干涉條紋。最后使用一種nuclear emulsion detector的探測器,對亞微米級粒子的干涉現象進行微米尺度分辨率的觀測。
科學家們在收集到信號之后,重構出了正電子在通過兩個硅化氮光柵后的三位分布(如下圖),結果是條紋間隔5.85μm,和預測值相差無幾。在重新采用不同的加速度后,得到類似的結果。
圖2 為正電子分布結果
圖3 A為不同能量的對比度分值變化,圖B為四種能量的熱對比圖
最后,他們通過分析不同能量的的干涉圖,得到不同能量的德布羅意波長變化情況(如下圖),按照經典理論,它應該是不變的,所以只能用量子理論進行解釋,進一步說明雙縫干涉的量子性。
圖4 不同能量下的響應度 虛線是經典理論預測,實線是量子預測,點是實驗測量
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量子力學
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20017
原文標題:科學家首次用反物質實現雙縫干涉
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