雙縫實驗

在雙縫實驗里，照射單色光在一座有兩條狹縫的不透明擋墻。在擋墻的后面，設(shè)立了一個照相底片或某種偵測屏障，用來紀(jì)錄通過狹縫的光波的數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)，可以了解光波的物理特性。以波動觀來解釋光波的干涉。

理查德·費曼說：仔細(xì)地思考雙縫實驗的意義，我們就能夠一點一滴的了解整個量子力學(xué)。透過雙縫實驗，我們可以了解量子世界的真諦。

在1807年，托馬斯·楊揚總結(jié)出版了他的<自然哲學(xué)講義>，里面綜合整理了他在光學(xué)方面的工作，并在里面第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的雙縫干涉。后來的歷史證明，這個實驗完全可以躋身于物理學(xué)史上最經(jīng)典的前五個實驗之列，而在今天，它已經(jīng)出現(xiàn)在每一本中學(xué)物理的教科書上。

楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面，這樣就形成了一個點光源（從一個點發(fā)出的光源）?，F(xiàn)在在紙后面再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一系列明、暗交替的條紋，這就是現(xiàn)在眾人皆知的雙縫干涉條紋。

雙縫實驗

楊的著作點燃了革命的導(dǎo)火索，光的波動說在經(jīng)過了百年的沉寂之后，終于又回到了歷史舞臺上來。但是它當(dāng)時的日子并不好過，在微粒說仍然一統(tǒng)天下的年代，楊的論文開始受盡了權(quán)威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”。在近20年間竟然無人問津，楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發(fā)表，只好印成小冊子。但是據(jù)說發(fā)行后“只賣出了一本”。原因很簡單，在此之前人們一直認(rèn)為光是縱波，直到1819年一個不知名的法國年輕工程師——菲涅耳（AugustinFresnel），當(dāng)時他才31歲，在<關(guān)于偏振光線的相互作用>論文里，提出了光是橫波的概念。 托馬斯·楊的實驗是一個開端，后續(xù)的柏松、阿拉果等人的實驗徹底建立了光的波動說。

雙縫實驗

克里斯蒂安·惠更斯發(fā)現(xiàn)了光波傳播的基本原理，怎樣預(yù)測光波的傳播于介質(zhì)。光源發(fā)放出一系列的光波，就好似浮在水面上的浮標(biāo)，被重復(fù)的拉起來，放下去，造成了水波的散發(fā)。他想出一種預(yù)測波前位置的方法。制造一組同尺寸的，圓心包含于一個波前的圓圈。它們的切線，經(jīng)過聯(lián)結(jié)與平滑后，形成一條連續(xù)的曲線，這就是預(yù)測的波前位置。依照這方法，可以展示出一個平面波前，或一個圓形波前，延伸的狀況。 奧古斯丁·簡·菲涅耳根據(jù)惠更斯的結(jié)果，證明了光的波動特性，與光在純介質(zhì)內(nèi)，以直線傳播的事實，并沒有任何矛盾。他又照著惠更斯的想法，對于衍射與干涉現(xiàn)象，給予了一個合理的，完整的論證。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家對于光的物理特性有更多的了解，在一段短暫的時間內(nèi)，傳播至某一表面的一束光波意味著許多光子的到達(dá)，每一個光子都有它自己的波前。為了要了解在雙縫實驗里，真正發(fā)生了什么狀況，我們必須知道，假若，光子是一個一個的發(fā)射出來，我們會觀測到怎樣的狀況？1909年，杰弗里·英格拉姆·泰勒爵士做了一個關(guān)于這方面的雙縫實驗。這實驗將入射的光波強度大大減低，在每一單位時間內(nèi)，平均只有一粒光子被發(fā)射出來。每一個光子的波前通過兩條狹縫后，這光子會顯示于偵測屏障的某個位置。顯示于這位置的概率，可以由通過兩條狹縫后的兩個概率波，在那位置的概率幅計算出來。兩個概率幅的相加，取絕對值平方，就是概率。累積許多光子在偵測屏障的位置數(shù)據(jù)，泰勒爵士發(fā)現(xiàn)，顯示于偵測屏障的干涉圖案與原本的雙縫實驗圖案相同。

雙縫實驗

雙縫實驗是最先由英國科學(xué)家托馬斯·楊設(shè)計與研究成功的。1801年，他用這實驗來解答，光到底是粒子還是波的問題。從這實驗觀測到的干涉圖案給予光的粒子觀一個致命的打擊。因為，經(jīng)典的粒子理論無法滿意地解釋這實驗的干涉圖案。大多數(shù)的科學(xué)家從此接受了光的波動觀。一直到20世紀(jì)初期，才再出現(xiàn)支持粒子觀的實驗證據(jù)。由于它可以很清楚簡易地，探討量子力學(xué)的中心迷云，雙縫實驗與它的各種變異，成為了許多理論物理家寵愛的思想實驗。 1972年，理查德·西利托與C·威克斯（C.Wykes）將雙縫實驗修改，使得在任何時間，只有一條狹縫是開起的，另外一條狹縫是關(guān)閉的。這樣，在任何時間，光子只能經(jīng)過兩條狹縫中的一條狹縫。雖然如此，他們?nèi)耘f能夠成功地觀測到光子的干涉圖案。

1961年，蒂賓根大學(xué)的克勞斯·約恩松（ClausJ?nsson）創(chuàng)先地用電子來做雙縫實驗，他發(fā)現(xiàn)電子也會有干涉現(xiàn)象。1974年，皮爾·喬治·梅利（PierGiorgioMerli)，在米蘭大學(xué)的物理實驗室里，成功的將電子一粒一粒的發(fā)射出來。在偵測屏障上，他也確實的觀測到干涉現(xiàn)象。2002年9月，克勞斯·約恩松的雙縫實驗，被《PhysicsWorld》雜志的讀者，選為最美麗的物理實驗。

在任何時刻，有一個波前，可以代表那時刻所有從光源散發(fā)出來的光波。由于光波從狹縫邊緣散發(fā)出來，在偵測屏障行成的干涉圖樣中，任何兩個部分的距離

雙縫實驗

，隨著擋墻與偵測屏障的距離D而變。假若D增加，則雙縫實驗

也增加。減小兩個狹縫a，b之間的距離B，會增加條紋之間的距離。增加光波的波長雙縫實驗

，也會增加條紋之間的距離?？墒?，狹縫的縫寬必須有足夠的尺寸，能夠允許某波長的光波通過。否則，單縫干涉會變得很顯著，因而影響到雙縫實驗的結(jié)果。反過來說，假若，縫寬太寬（例如，一座墻上的兩扇普通的窗子），則光波會直接照射過去，而觀察不到干涉現(xiàn)象。

在偵測屏障上觀察到的明亮的條紋，是由光波的建設(shè)性干涉造成的，當(dāng)一個波峰遇到另外一個波峰，建設(shè)性干涉會產(chǎn)生。黑暗的條紋是由光波的摧毀性干涉造成的，當(dāng)一個波峰遇到另外一個波谷，摧毀性干涉會產(chǎn)生。用方程表達(dá)，當(dāng)以下關(guān)系成立時，會發(fā)生建設(shè)性干涉：雙縫實驗

其中，n是最大強度值（波峰遇到波峰，最大建設(shè)性干涉的光波強度）的次序數(shù)（位于中央的最大強度值的次序數(shù)是n=1），y是條紋與中央之間的距離（稱為條紋距離）。 這方程只是一個近似。方程的成立依賴某些先決條件的成立。應(yīng)用這方程與實驗儀器，B與D是實驗參數(shù)，y可以由實驗測量得知，有了這幾個數(shù)值，我們就可以計算光波的波長。

雙縫實驗

不論是電子、質(zhì)子，或是任何其它可以被視為是屬于量子尺寸的粒子，在雙縫實驗里，粒子抵達(dá)偵測屏障的位置分布，是具有高度決定性的。我們可以用量子力學(xué)來精確地計算與預(yù)測，粒子抵達(dá)偵測屏障的位置的概率。可是，無法預(yù)側(cè)，在什么時刻，在偵測屏障的什么位置，會有一個粒子抵達(dá)。這么一個無可爭議的結(jié)果，是經(jīng)過多次重復(fù)地實驗而得到的。這結(jié)果給予了科學(xué)家極大的困惑。因為粒子抵達(dá)順序的無法預(yù)測，意味著沒有任何原由，而發(fā)生的事件，這是科學(xué)家非常不愿意接受的事實。他們試圖制造更多的變量來解決這困難。 當(dāng)電子一堆一堆地對著偵測屏障發(fā)射，人們可以很容易地解釋所產(chǎn)生的干涉圖案。人們只要認(rèn)定這些電子互相地干涉。可是，隨著科技地進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出來，能夠可靠地發(fā)射單獨電子的科學(xué)器材。應(yīng)用這單獨電子發(fā)射器于雙縫實驗，得到的干涉圖案，使人們覺得好像電子有獨自干涉自己的可能，又覺得好像單獨的電子可以同時通過兩條狹縫。對于大多數(shù)的科學(xué)家，這觀點似乎建議，量子粒子能夠同時出現(xiàn)于兩個以上的地方?？墒沁@與顯然正確的道理，“任何事件不能同時地發(fā)生在兩個地方”，有很大的沖突（參閱無矛盾律）。對于這問題，最簡單的方法，就是接受物質(zhì)波的概念。另外一種較難被接受的概念，主張量子物質(zhì)的存在與行為，是無法用經(jīng)典方法來詮釋的。這種概念，與人們?nèi)粘ｓw驗的物理事實有很大的出入，會造成更多的困惑。

單獨電子累積的的雙縫實驗干涉圖案，與一堆電子的雙縫實驗干涉圖案，兩個干涉圖案是相同的。所以，我們可以維持一個有秩序的，一致的宇宙觀。雖然，對于任何量子尺寸的粒子，我們必須以物質(zhì)波來看待。

近幾年來的科學(xué)研究，更進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)了，干涉現(xiàn)象并不只限制于像質(zhì)子、中子、電子、等等，這些基本粒子。大分子構(gòu)造，像富勒烯(C60)，也能夠制造雙縫實驗干涉圖案。

在1920年代，許多實驗，像光電效應(yīng)，顯示出光以離散的，粒子的形式，稱為光子，與物質(zhì)互相作用。

假設(shè)，有一種光源能夠替代陽光。這光源，在任何時間，能夠一個一個地發(fā)射光子。又假設(shè)，偵測屏障有足夠的敏感度來偵測一個光子。則楊式雙縫實驗，在理論上，可以用光子一個一個的測試，結(jié)果會得到與原本實驗相同的答案。經(jīng)過一段時間的累積光子，偵測屏障會展示出一系列明亮或黯淡的條紋的干涉圖樣。這結(jié)果看來好像又確定，又否定波動觀。假若，光的行為不是波動行為，則偵測屏障不會展示出干涉圖案。假若，光的波動觀成立，則光不會以量子的形式抵達(dá)偵測屏障。

讓人們特別注意一個卓越的實驗。在這實驗里，有一個偵測器，稱為狹縫偵測器，能夠偵測到光子的行蹤，光子會經(jīng)過兩個狹縫中的那一個狹縫？可是，當(dāng)人們將狹縫偵測器打開后，人們所熟悉的干涉圖案，就會消失不見，改變成另外一種圖案。偵測這個動作，涉及了光子與狹縫偵測器之間的互相作用。這改變了光子的量子態(tài)。假設(shè)，兩個同頻率的光子，在同時間被發(fā)射出來，則這兩個光子是相干性。將狹縫偵測器關(guān)掉，則兩個同調(diào)光子，都會不被干擾地經(jīng)過狹縫，同調(diào)地抵達(dá)偵測屏障。可是，假設(shè)，我們將狹縫偵測器打開，而兩個同調(diào)光子之中的一個光子，被狹縫偵測器偵側(cè)到，則由于光子與狹縫偵測器之間的互相作用，兩個光子不再同調(diào)，不再互相干涉。所以，偵測屏障的干涉圖案會消失不見。

哥本哈根詮釋

在早期的量子力學(xué)里，許多先驅(qū)學(xué)者的共識，哥本哈根詮釋，明確地闡明，人們不應(yīng)該推斷，在數(shù)學(xué)公式與實驗結(jié)果以外的，任何涉及量子尺寸的理論。除了光子發(fā)射的時間與抵達(dá)偵測屏障的時間以外，在任何其它時間，人們不能夠確定光子的位置。為了要確定光子在某個其它時間的位置，人們必須偵測到它?？墒牵?dāng)人們偵測到光子在某個其它時間的位置，也改變了光子的量子態(tài)，干涉圖案也因此受到影響。所以，在發(fā)射的時間與抵達(dá)偵測屏障的時間之間，人們不能測試光子的位置。我們只知道，在發(fā)射的時候與抵達(dá)偵測屏障的時候，光子是存在的。在其它時間，光子完全地跟宇宙失去了連絡(luò)。在雙縫實驗里，到底發(fā)生了什么狀況，無從得知。

一個光子，從被太陽發(fā)射出來的時間，到抵達(dá)視網(wǎng)膜，引起視網(wǎng)膜的反應(yīng)的時間，在這兩個時間之間，人們完全不知道，發(fā)生了什么關(guān)于光子的事?；蛟S這論點并不會很令人驚訝?？墒?，雙縫實驗發(fā)現(xiàn)了一個很值得注意的結(jié)果，假若，人們試著確定光子在發(fā)射點與偵測屏障之間的位置，我們也會改變雙縫實驗的結(jié)果。假若，用狹縫偵測器，來偵測光子會經(jīng)過兩個狹縫中的那一個狹縫，則原本的干涉圖案會消失不見。

仔細(xì)的推理，應(yīng)用于日常宏觀經(jīng)驗里所發(fā)生的事件，告訴人們，一個粒子必須通過兩條狹縫之中的一條狹縫。實驗說明，必須有兩條狹縫才能產(chǎn)生干涉圖案。假設(shè)有一個狹縫偵測器，能夠讓人們知道，在抵達(dá)偵測屏障之前，粒子的位置。這狹縫偵測器的使用，會使展示于偵測屏障的干涉圖案消失不見。令人費解地，假若，在光子抵達(dá)偵測屏障之前，人們又將這狹縫偵測器所測得的資料摧毀，那么，干涉圖案又會重現(xiàn)于偵測屏障（參閱quantumeraserexperiment）。

路徑積分表述

路徑積分表述是理查德·費曼提出的一個理論（費曼強調(diào)這個表述只是一個數(shù)學(xué)描述，而并不試圖描述，某些人們無法觀察到的真實程序。）路徑積分表述闡明，假設(shè)一個光子要從點A移動至點B，它會試著經(jīng)過所有的可能路徑，包括同時經(jīng)過兩個狹縫的路徑?？墒牵偃?，用狹縫偵測器，來偵測光子會經(jīng)過兩個狹縫中的那一個狹縫，實驗的狀況立刻改變了。點B變?yōu)楠M縫偵測器，新的路徑是從狹縫偵測器B到偵測屏障C。這樣，在狹縫偵測器B與偵測屏障C之間，只有空曠的空間，并沒有雙縫。所以，干涉圖案會消失不見。