电子双缝实验的作用是什么,中微子能穿透一切物质,如果用它做双缝实验,结果会和电子一样吗

这是一个特别有想象力的问题,答案是:根据现在的已经经过大量实验检验的物理学理论,如果能够做中微子的双缝实验,那么应该也会观察到类似电子双缝干涉实验的干涉条纹,因为中微子也必然服从波粒二象性原理电子双缝实验的作用是什么。

电子双缝实验的作用是什么,中微子能穿透一切物质,如果用它做双缝实验,结果会和电子一样吗

电子双缝实验的作用是什么,中微子能穿透一切物质,如果用它做双缝实验,结果会和电子一样吗

然而,还没有人做过中微子的双缝实验,我也不知道有人计划做这个实验,原因是什么?是因为这个实验不值得做吗?我觉得不是。实际上,如果能够做到这个实验,我们对于中微子的理解就会有很大的提高,获得炸药奖(就是诺贝尔奖)的可能性也不是完全没有。

如果能够测量到中微子的双缝干涉条纹,那么就直接测量到了它的波长,根据德布罗意波的物质波公式(其正确性已经得到大量的实验检验),波长=普朗克常数/动量。由于干涉条纹的测量非常精确,也就是可以对于中微子的动量测量可以非常精确,这种精确测量有可能对于中微子的理解带来革命性的进步。

对于中微子的性质我们目前最想知道但是就是还不知道的是什么?就是质量。我们只知道中微子的质量非常接近于零,但是肯定不等于零,而这就是获得了诺贝尔物理学奖的中微子振荡(也就是三类中微子会相互转变,这件事背后的道理超出了这个问题太多,就不在这里讲了)实验的基本结论。但是迄今为止,对于中微子的质量还没有直接的测量,甚至我们都还不知道三类中微子的质量谁大谁小,这就是中微子质量的等级问题,是多个下一代(包括中国正在建造的JUNO)中微子实验的核心科学目标。

如果一开始产生的中微子只有一类(一般情况下一种中微子源只能产生一类中微子),那么有些中微子在经过双缝干涉实验的时候会变成其它的中微子,由于这三类中微子的质量不同,那么转换之后的中微子的动量就会有所不同,理想的情况下,实验就会测量到三种不同的干涉条纹,自然就解决了三类中微子的质量等级问题,拿到诺贝尔物理学奖很可能就是指日可待了。

那么问题来了,说得这么好,为什么目前还没有人做这样的实验?甚至都没有人试图做这样的实验?是大家不相信量子力学或者不相信中微子的理论?

当然都不是!原因就是,这样的实验实在是太难了,没有人知道怎么才能做到。我们知道,要想做双缝实验,你首先得有两个缝,也就是你所作实验的粒子(光也可以当成粒子)只能从缝里通过。对于光线和电子,这都很容易做到,但是对于中微子,由于正如题主所说其穿透力极强(穿过地球都是很轻松的),要做两个缝,那就是很难了,事实上,现在还没有任何办法可以做到。

爱较真儿的朋友(我就喜欢你较真儿的样子,如果不较真儿,还真没法做科学研究)可能就要问了,既然穿透力这么强,那怎么知道中微子存在呢?探测中微子的实验结果怎么已经拿了两次诺贝尔物理学奖了呢?这是极好的问题!尽管中微子穿透力很强,中微子并不是和物质没有作用,在中微子穿过地球的过程中,还是有极少的中微子和物质发生作用、甚至被“吸收”掉。科学家正是利用这非常微弱的作用来探测中微子,比如在地球的南极、中国的大亚湾和江门,科学家们都在探测中微子(顺便得瑟一下,我所在的高能物理研究所正是中国的大亚湾和江门中微子实验提出和领导单位)。

那么,既然中微子多多少少会被物质吸收,那就还是能够做一对不那么完美的双缝,尽管大部分中微子都会直接穿过阻挡的物质不产生干涉,总是会有少量的中微子会产生干涉效应,原则上还是有可能观察到的,只不过这样的实验难度和耗资以目前的技术都是难以想象的,也许未来真的可以做到?

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2022-06-10

2022-06-10