第13章 双缝干涉实验（1/1）

“知天之所为，知人之所为者，至矣！”

老师引用庄子名篇《大宗师》的话，继续讲述这张科技含量极高的照片背后的故事。

人们一直在寻找自然界的终极法则，经典力学一度被认为至善至美，直到量子力学的创立，人类似乎又站在新的起点。

同学们认真听老师讲解，睡意全无，比起汇编语言，这张图显然更有吸引力。

1900年，英国物理学家开尔文勋爵在英国皇家学会发表演讲中说道：“物理学的大厦已经建成，后人只需要做一些修补工作。”这在当时已是一个公论，甚至有人认为物理学已经足够完美了，无需再进行研究。很多人已经放弃了选修物理学，认为再研究下去也发现不了新的知识。

但开尔文勋爵发言的最后，在展望物理学的未来时，他若有所思的讲到：“它美丽的晴空却被两朵乌云笼罩。”

“同学们，有谁知道这两朵乌云是什么吗？”老师问道。

同学们摇了摇头，只见后排的同学更是伸长了脖子向前探，生怕听漏了一个字。

当时人们新的物理学发现和经典物理学有很多冲突矛盾，其中最大的冲突便是这“两朵乌云”：一、 迈克尔逊—莫雷实验的零结果问题。二、黑体辐射的问题 。

而正是这两朵乌云诞生了相对论和量子力学。

相对论的产生，解决了第一朵乌云的问题，英国物理学家麦克斯韦在总结法拉等式的基础上，总结出经典电子力学方程组，也被称为麦克斯韦方程组，其正确性被大量实验证明不容置疑。但是麦克斯韦方程组在不同惯性参照系中不具有协调性，在不同参照体系下方程组会发生改变，这即产生了矛盾。

“同学们听懂了吗？”老师问道。

大家摇了摇头，老师继续讲：“接下来大神就要登场了，最初人们认为宇宙中存在一种物质叫“以太”，但根据迈克尔逊?莫雷实验证明，没有以太这个虚拟的参照系存在。最终解决这一问题是当时瑞士专利局的一个小职员，他的名字叫爱因斯坦，这是爱因斯坦正式登上历史舞台，他一出现就是他人生的高光时刻，照亮了整个物理世界。1905年，爱因斯坦四篇划时代的论文建立了狭义相对论，成功描述了亚光速领域宏观物体的运动。过往，人们认知停留在看得见感受得到的宏观世界，而爱因斯坦将人们认知范围拓展到看不见的却客观存在的微观世界，这就是第一朵乌云所产生的相对论。”

老师看到同学们兴致勃勃，讲得更起劲。

“量子力学产生则解决了第二朵乌云的问题。“黑体辐射”是指计算黑体辐射强度的瑞利金斯定律的计算结果和实验结果无法吻合，之前所有的物理学原理都是建立在假设世界是连续性的前提下，但后来物理学家发现很多现象与这个前提相互矛盾，因为物理学的结论不对，很有可能是在假设的前提上就出现了问题。据此，德国物理学家普朗克认为，经典物理学家并不适用于微观世界。普朗克将能量分为很多份，光和其他电磁波的能量都是分散的，这其中的每一份就被认为是量子，量子力学随着诞生，后来爱因斯坦据此发现了光电效应，第二朵乌云问题也被解决了。”

“大家是不是认为这两朵乌云解决了，物理学的大厦就无懈可击了呢？其实不可思议的事情才刚刚开始！”老师继续吊大家的胃口，讲述下一个故事：量子双缝干湿实验。

“同学们，近年来，量子物理学的发展引起了人们的广泛兴趣。其中，量子双缝干涉实验被认为是揭示量子力学奥秘的重要实验之一，我将带你们深入探索这个神秘而引人入胜的实验。”

量子双缝干涉实验的核心是光的波粒二象性。传统的实验中，光被认为是波动的，类似于水波在波洞后形成波纹。然而，这一实验却展示了一种令人不可思议的现象：当光通过具有两个小孔的屏障时，其在屏幕上形成了干涉条纹。这意味着光既表现出波动性，又表现出粒子性。而这种双重性态恰恰是量子力学的核心所在。

量子双缝干涉实验的可视化观察对于理解量子力学的基本原理起到了重要的作用。实验设置中，传统的实验装置被简化为仅有一束光，穿过一个屏障。屏障上有两个微小的孔，光通过这两个孔后，在远离屏障的投影屏上形成干涉纹。这一现象与传统理论预测的波动理论完全符合。

然而，当实验中引入探测器来测量光通过不同孔洞的粒子位置时，情况却发生了奇妙的变化。原本预期的干涉纹消失了，取而代之的是一个“粒子”的分布图案，与传统的粒子行为一致。这一现象引发了科学家们的深思：当观测过程中，是否光实际上就是波动与粒子行为之间的一种中间状态？

随后的研究表明，观测过程对于量子系统的状态有着重大影响。在观察到粒子的行为后，光的波动性质立即被打破，取而代之的是一个粒子分布的图案。这一现象，被称为“测量崩塌”，是量子力学的基本原理之一。

理论上，为了解释这一现象，一种被广泛接受的解释是“波函数坍缩”。波函数是描述量子体系的数学工具，它可以描述粒子的状态和行为。当观测到一次实验后，波函数的坍缩会导致对粒子状态的特定确定性。然而，波函数坍缩的具体机制仍然是一个未解之谜，引发了科学界的热烈讨论。

除了这个奇妙的现象外，量子双缝干涉实验还揭示了量子纠缠这一重要概念。当两个孔洞之间的距离足够小时，光通过其中一个孔洞的行为将会影响到通过另一个孔洞的光粒子，即使它们之间相隔很远。这种神秘的相互影响被称为“纠缠”。量子纠缠是量子通信和量子计算领域的基础，也是实现量子隐形传态和量子加密的关键。

在我们不断探索量子双缝干涉实验的过程中，科学家们对于量子力学的理解也在不断深化。这一神奇的实验不仅揭示了量子世界的奥秘，也为开发未来的量子技术提供了理论基础。

量子双缝干涉实验是量子力学中一项重要的实验，它通过光的波粒二象性的展示，揭示了量子力学的基本原理，如波函数坍缩和量子纠缠。这一实验不仅具有科学意义，也为未来的量子技术发展提供了重要的理论基础。我们对这个领域的深入研究将带来更多关于量子力学的奥秘的解开，也将开启更加神奇和令人期待的未来。”

为了使同学们更进一步了解量子双缝干涉实验，老师讲得更加详细：

“1807年，托马斯?杨总结出版了他的《自然哲学讲义》里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了双缝干涉实验，把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源，现在纸的后面再放一张纸，不同的是第二张纸上面开了两道平行的狭缝，从小孔中射出的光穿过两道狭缝，投在屏幕上，就会形成一系列明暗交替的条纹。”

“这个解释不够通俗，再给大家这样说吧，在宏观世界中，以玻璃球为例，我们让玻璃球射过开了一道缝的挡板，大家知道玻璃球会在后墙上留下痕迹是一条线，射过两条缝的挡板会在后墙留下两条线，老师用PPT展示了量子双缝干涉实验的图片。当把玻璃球换成水波的时候，开了一条缝的后墙出现了一条线，开了两条缝的就会产生干涉条纹，老师展示了水波干涉条纹的图片。”

“那么量子世界是咋样的呢？”老师继续讲述。“将玻璃球换成电子，通过一条缝隙时，后墙出现了一条线，通过两条缝隙的时候，后墙出现了干涉条纹，科学家思索，这么小的电子如何出现干涉条纹的呢？于是他们设计了单电子干涉实验，让电子一个一个地通过一条缝隙，后墙就会出现一条线。可当电子通过两条缝隙时，电子竟然出现了干涉条纹，电子是一个一个通过缝隙的，应该形成两条线才对，怎么会出现干涉条纹呢？这让科学家百思不得其解，同学们知道这是为什么吗？”

有同学举手回答：“说明电子是波。”

“很好，这位同学请坐下，科学家也是这么想的。”

于是科学家想看看这是怎么回事，难道一个电子同时穿过了两条缝隙，科学家在两条缝隙处设置了检测装置，当电子通过左边的缝隙时，左边的检测装置报警了，当电子穿过右边缝隙时，右边的检测装置报警。当科学家拿到检测报告时，所有人都震惊了，报告结果只有两道条纹，说明电子确实是一个一个穿过缝隙的。科学家再次将检测装置拆掉，干涉条纹再次出现，同学们听到这里你们有何感想？”

“老师，可能电子知道我们在观测它，故意不让我们知道真相。”一位同学抢着回答。

“非常好，难道量子有意识？还是科学家的观测行为影响了实验结果。这位同学想到的问题，科学家也想到了，科学家认为量子不可能有意识，于是设计了更加严苛的实验。”

“那就是量子延迟选择实验，这个实验比量子双缝干涉实验要复杂很多倍。延迟选择实验就相当于两条缝上分别装上粒子探测器，打开探测器开关，科学家就知道某个粒子究竟是从哪个狭缝中过来。关掉探测器，我们就不可能知道粒子的来源。首先，科学家发现打开探测器开关测到两条单缝条纹，而关闭探测器，科学家测到了双缝干涉条纹。科学家进一步发现，即使粒子已经过了狭缝，如果我们此时拨动探测器开关，条纹仍然会发生相应的变化。然而依照经典理论，不论粒子在双缝处发生了什么，当粒子通过双缝之后，都不应该再被双缝所干扰，这个结果就好像双缝的影响被延迟到了粒子运动到屏幕的那一刻才体现出来，恐怖的问题来了。”老师故意提高故事的神秘感。

“为什么粒子明明已经通过了夹缝，我们再改变探测器开关，条纹为什么还会发生？难道现在的变化改变了过去的事情？因果论崩塌了！”老师讲到这里，许多同学陷入了沉思。

因果论也称为因果定律，指任何事情的产生和发展都有一个原因和结果，当下的一切是过去的果，同时也是未来的因。

“这个实验告诉我们，当你去观察一个光子时，它瞬间就崩塌为实在的物质粒子。而你观察之前，光子是以扩散的波方式弥散在整个宇宙的空间中的。弥散的意思就是一个光子可以同时存在于空间的任何地点，同时一个地点也可以被许多光子占据着。光子到底是波还是粒子？实际上科学家无法描述光子到底是以何种方式存在，最终科学家只能这样描述：光既是波，也是粒子，也就是波粒二象性。在你看到它时，它是粒子，在看到它之前，它以波的形式存在。”

老师最后总结道：“同学们，我们的世界并不是我们所认为的客观世界，我们看到的只是表象，而组成我们这个世界的最微小的粒子也许是有意识的。我们所看到的世界是微观粒子让我们看到的，而不是客观存在的。大家知道，我们驯服了电子，我们懂得了它的运动规律之后，我们就有了电灯、电视、电话、电脑等等，一个小小的粒子改变了整个时代，而至今没有人真正看到电子的模样。电子计算机组成的互联网世界更是让我们神往，同学们物理学的大厦远远没有建成，我们只发现了宇宙奥秘的冰山一角，未来还需要各位同学艰苦努力！”