光波动说的有力证明——双缝干涉实验

双缝干涉实验源自单缝衍射实验。一束光穿过两个非常靠近的狭缝后，投射到狭缝后面的屏幕上。一般来说，当光线通过一条垂直打开的狭缝时，衍射的——光线会发生弯曲并绕着障碍物传播。你在屏幕上看到的不是垂直的亮带，而是水平的亮带。 （如下图上半部分）这种现象早在17世纪就被意大利耶稣会神父Francesco Maria Grimaldi发现，并将其命名为衍射。

当两条狭缝的亮带在屏幕后面重叠时，理论上应该会显示出更亮的光带，但神奇的事情发生了。最终屏幕上显示的是明暗条纹……（（如下图下半部分所示）

这是一件很奇怪的事情，因为这些条纹的暗线中应该有光，但是当两条狭缝发出的光重叠时，那些位置就没有光了。这种现象似乎是牛顿粒子理论无法解释的。托马斯·杨受到水波干涉的启发，提出光是一种波，深色图案是由光波的干涉造成的。

光微粒说复活——爱因斯坦的光电效应

人类对宇宙认识的革命永远是由极少数天才推动的。继双缝干涉实验证明光的波动论一百年后，一位天才再次刷新了人们对光的认识。这位天才就是20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。

1905年，刚刚获得物理学博士学位、当时还在专利局当职员的爱因斯坦发表了一篇题为《关于光的发射和转化的启发式观点》的论文，解释了以光为能量量子形式的光电效应现象，即，光子。这一开创性的理论为他赢得了1921 年诺贝尔物理学奖。

粒子与波的探究——单光子双缝实验

光量子的提出复活了光粒子理论，但问题出现了：光是粒子还是波？这两种形式都有实验证据，而且似乎都是正确的。但问题又出现了。波和粒子是两种完全不同的特性。光在什么情况下会表现出波动特性？什么情况下会出现粒子的特性？

光量子假说提出四年后，英国物理学研究生杰弗里·泰勒设计了一个微光双缝实验。他利用黑化玻璃大幅降低光源的亮度，直到光源与屏幕之间达到理论上的平衡。任何时刻最多有一个光子通过，然后用相机的感光胶片对光线进行很长时间的曝光，记录下通过双缝的光线。

当照片冲洗出来时，神奇的一幕出现了。即使光子一一通过双缝，最终曝光的照片中仍然出现清晰的明暗干涉条纹。

这意味着即使只有一个光子通过双缝，仍然会发生干涉。那么光子会干扰谁呢？似乎只有一种解释：光子干扰了自身。

奇怪的物理——光的波粒二象性

这个问题直到10多年后才被法国科学家德布罗意解决。他在物理学博士论文中提出了波粒二象性。他指出，不仅光子，所有微观粒子也都具有波特性，他称之为物质波。物质波理论预测，单个电子通过双缝也会产生干涉条纹。

光波什么时候成为粒子？

确定了光的波粒二象性后，一个问题浮现在科学家面前：光波什么时候变成粒子的？

一个明显的事实是：在所有的实验中，光最终都以粒子的形式出现！例如，当电子在光电效应中被炸出时，曝光不足的照片中会出现一些零星的光点，所以答案很明显：光在观察时是一种粒子。换句话说，观察使波变成粒子？如果测量发生得更早怎么办？科学家决定升级双缝干涉实验——，以测量粒子通过哪条缝。

科普书里的神话——你一看，干涉条纹就消失……

很多人都将科普利对双缝干涉观测实验的描述视为一个近乎神话的故事。有些故事是用相机拍摄的，有些则是直接用眼睛看到的。这些描述显然不是事实，而只是一些虚构的思想实验。现在看来，这些思想实验具有极大的误导性。

直接观察不会导致干涉条纹消失！用眼睛看还是用相机拍都没关系！

揭秘——观测导致干涉条纹并不诡异

与很多人想象的相反，科学家们其实并不是被观察到干扰后消失的实验结果所吓倒，而是这个结果是他们早就预料到的。科学家实际上做的不是观察，而是测量！

他们想要测量颗粒穿过哪个狭缝，以及如何测量？以光子为例。没有办法从侧面看到光子而不干扰光子，所以测量它们的方法实际上是让光子只通过其中一个狭缝……例如，在其中一个狭缝上放置一个垂直偏振器。这样所有水平偏振的光子都不能通过这个狭缝……

如果你足够聪明，能看到这一点，那么你一定发现了一些棘手的事情。这是否意味着光线只能通过其中一条裂缝？这不是相当于过了一缝吗？我们之前说过，光子会互相干扰。既然光子只能通过其中一个狭缝，那么它们还会干扰谁呢？ ……

真正诡异的是什么？

根据以上分析，干涉条纹因观察而消失并不奇怪，但这并不意味着量子力学不奇怪！量子力学真正的诡异之处在于微观粒子在被观察之前所处的“波”态！这种波的状态称为叠加态。量子力学真正的诡异之处就在于这种叠加态！但这已不再是本文的讨论范围。以后有机会我们再讲叠加态。

如果你对量子力学感兴趣，可以看看戴老师的专辑《极简量子物理教程》。戴先生，博士。中国科学院理学博士、河南大学物理学教授。

#零夭夭计划# #双缝干涉实验# #量子力学#