怪异双缝干涉实验 怪异双缝干涉事件

我们高中的时候学过一个实验叫双缝实验。我们准备了一根蜡烛，在蜡烛后面放一个只有一条长缝的挡板，然后在后面放一个有两条长缝的挡板，最后放一个黑屏，会产生明暗条纹。

当前位置这个实验是由托马斯杨提出的。他证实，光纤穿过两个平行的小孔，相同频率的光会通过两个小孔相互作用，投射出明暗交替的图案。第一块挡板的作用是先衍射蜡烛发出的光，使之变成稳定的相干光源，从而消除干扰，更清楚地观察实验结果。第二挡板的功能是将相干光转变成相同的两行光源。

在这个实验中，托马斯杨提出了干涉一词，杨氏双缝实验也称为光的干涉现象。

这个实验在当时引起了极大的轰动，最终导致托马斯杨被学术界封杀，转而研究历史，因为在当时牛顿的粒子理论占据了学术界的主流，被科学家奉为圣经。

什么是粒子？牛顿在1675年提出了一个假说，认为光是一种从光源发出的物质粒子，在均匀介质中以一定的速度传播，依据光的直线传播定律和光的偏振性，物体是由大量的硬粒子组成的。粒子理论就是由此产生的。

字体但是托马斯杨的实验证实了光的波动理论，该理论认为光是以波的形式运动的。粒子理论和波动理论已经争论了几百年。

20世纪初，随着科学家对世界从宏观到微观的研究，德布罗意在1924年提出了“物质波”假说，认为一切物质和光一样，都具有波粒二象性。根据这个假设，电子也会有干涉、衍射等波动。

1927年，C.J .戴维森和L.H .梅格在观察能量为100电子伏的电子束在镍单晶表面的散射时，发现散射束的强度随着空间分布，即电子被晶体衍射而不连续。几乎与此同时，G.P .唐慕孙和A .里德也观察到了用能量为20000电子伏的电子束穿透多晶薄膜时的衍射图样。电子衍射的发现证实了德布罗意(L.V. De Broglie)提出的电子具有波动性的假设，从而证实了一切物质都具有波粒二象性。

这个时候双缝实验也从宏观变成了微观，变成了电子双缝实验，可以说直接颠覆了整个世界的认知。

我来跟你梳理一下背景。双缝实验是指光通过板的狭缝后打在屏幕上，然后深入到微观领域。就变成了电子双缝实验。光子以波的形式运动。因为干涉，通过双缝后会出现痕迹。(电子和光子都属于基本粒子)

不同数目的电子通过双缝后薄膜上的干涉图样。

但即使一个一个发射光子，也会发生干涉，屏幕上会清晰地出现条纹。发生了什么事？

哥本哈根解释学派的负责人玻尔解释说：“我们不需要关心它是什么，也不需要担心自然是什么。我只关心我们能“观察”到什么性质。一个电子就是一个粒子，一个波，但是我们每次观察它的时候，它只表现出一面。这里的关键是我们如何观察它，而不是它到底是什么。”

这段话说明它既是粒子又是波！如果你从不同的角度看，你会看到不同的东西。

但是，爱因斯坦表示反对。单个电子如何穿过两个缝隙？电子可以分离吗？因为两个间隙之间的距离很小(10-9米)，但是对于电子来说，这个距离是电子高度的270亿倍。

后来科学家发现，单个光子并不是同时穿过双缝，而是只穿过其中一条缝，这说明电子是以粒子的形式穿过的，粒子一个接一个地打在屏幕上，形成一个长长的光图案。那么光子是怎么做到的呢！这个问题一直困扰着大家！

如果我们根据电子的速度确定电子已经通过双缝后，迅速在背板上放一个摄像头会怎么样？

结果是，当我们确认电子已经通过双缝时，我们迅速在背板上放了一个摄像头。结果就是没有干涉条纹，实验者再怎么努力，干涉条纹也不再出现！

另一方面，如果迅速移开相机，干涉条纹又会出现，甚至当我们决定移开相机时，电子已经过了双缝！

也就是说，不管单个电子是否通过双缝，只要我们有观察的想法和这个行为，就不会有干涉，不会有条纹。

到底是摄像头影响了电子人的行为还是人的意识影响了电子人的行为？或者真的有一个创造者，他制定了一个既定的操作规则，不允许任何人窥探或破坏。人类的思想一旦产生，过去就会改变，从而修正最后的结果！

后来，约翰惠勒提出了一个相当惊人的想法，即所谓的“延迟双缝干涉实验”。延迟实验的原理相当于在挡板和屏幕之间移动探测器，让粒子先做出选择，再进行观察。

比如单个光子通过挡板，探测器瞬间开启。此时，单个光子通过两个狭缝已经成为事实。我们观察它的运动路径，发现它只穿过一条狭缝，而此时干涉条纹消失，只剩下一个亮点，相当于颠倒了因果关系！

想了解具体完整的实验可以看视频。

你的观察让波函数坍缩。在量子力学的世界里，你现在做的事情可以改变历史上已经发生的事情。

最后，科学家把这个实验上升到了宇宙的角度。科学家观测到几百万光年外的一颗恒星正在向地球发射光子，中间会有一个大质量星系。根据爱因斯坦的相对论，这个星系会导致空间膨胀，然后弯曲光线。这个星系实际上相当于一个巨大的分光镜，将光子分成两路。

在最右边的地球上，我们设置两台望远镜分别对准上下光路，那么每台望远镜都会观测到具有粒子性质的光子，不会出现干涉图样，因为光子要么从上面绕过来，要么从下面绕过来。

科学家提出用望远镜、光纤等工具将两路上的光子引诱到延迟实验装置，从而完成行星际延迟双缝干涉实验！

但此时每个望远镜观察光子都是粒子，不会出现干涉图样，因为光子要么从上面绕过来，要么从下面绕过来。

但是如果用分光器把上下两个方向的光合起来，就可以重新得到光子的衍射图样，理论上是不可能的。光子作为粒子一路传播不可能产生衍射图样，一定是波。

要知道，他们在几百万年前就出发了，他们的旅程在出发前就已经定好了。也就是说，当人类决定观察它们的时候，它们几百万年前决定的旅程路线就改变了！

这个奇怪的现象好像光子是有生命的。发现了就变成粒子态，没发现就偷偷变成波态，完全颠覆认知。

目前还没有科学家能对此给出一个完美的解释。惠勒后来引用玻尔的话说，“任何基本的量子现象都只是被记录下来之后的现象。”在量子实验中，我们是在到达光子之前做出决定，还是在到达光子的途中做出决定，都没有什么区别。除非被记录下来，否则历史是不确定和不真实的。更准确的说，光子在穿过第一个透镜和插入第二个透镜之间是在哪里，是什么，是一个没有意义的问题。我们无权谈论，也不是“客观现实”！惠勒用著名的“龙图”来说明这一点。龙的头和尾(输入和输出)是确定而清晰的，但它的身体(路径)却是一团迷雾，谁也说不清楚。

然而，惠勒的解释仍然没有驱散笼罩在这个实验中的迷雾，宇宙中仍然有太多的未知等待我们去探索其中的奥秘。

双缝干涉实验的恐怖在哪里，为什么很多人受不了？双缝干涉实验揭示的现象是超越现实的。

双缝干涉实验揭示的现象是科学家遇到的“灵异现象”，双缝干涉实验背后微观世界的基本本质被充分揭示。

揭示的现象是违背直觉，破坏人的三观的实验。双缝干涉实验的背面让人感觉很冷，有点“吓人”。

作为宏观世界的一部分，在量子力学出现之前，科学认知是基于现实的，科学理论解释的是宇宙中的现象。要通过牛顿力学准确预测事物的发展趋势，只要知道初始状态和经历过的相互作用。1846年，海王星被预言发现，这是人类宏观科学的胜利。毫不夸张地说，如果按照现有的理论，有一台强大的计算机来预测宇宙中的未来，这就是现实世界的可预测性。不仅是普通人的世界观，科学家也是如此，爱因斯坦也不例外。但毫无疑问，它被灵异打破了。

微观世界很小，都是原子和电子，生活中看不到，科学家也看不到。正是在上个世纪，我们了解了原子，并建立了相应的模型。

有一个粒子在我们眼前晃了几百万年。那时候我们是猴子，是光子。

光子很常见。什么是光？我想了几千年，直到牛顿说光是粒子，属于物理粒子的范畴。当时有人认为光是波，粒子光不能解释衍射，光是粒子。为什么两束光不能碰撞？这个人就是惠更斯。

惠更斯没有任何证据可以证明，而牛顿的威望很高，所以单凭粒子的观点就得到广泛认可。

什么是光？形成了不同的派别：波和谷。

谷物派所想的，被想象成一个小球，遵循质点运动定律。也就是说，在手电筒打开的瞬间，有无数的光粒子在直线外飞舞。

什么是光的双缝干涉实验，为什么说这个实验极其恐怖？双缝干涉实验的结果是20世纪科学家集体遭遇的一次“灵异事件”。在这个简单的实验中，微观世界的基本本质、叠加态、不确定性和观察者效应得到了充分的展现。

这三种现象是如此的烧脑，反直觉，破坏性，所以我们常说双缝干涉实验的结果让人后背发凉，有点“恐怖”的感觉。

作为一个宏观世界的一部分，在量子力学出现之前，我们的科学认知是建立在现实的确定性基础上的，我们的科学理论可以完美地解释和预测宇宙中的任何现象。

比如，通过牛顿力学，我们可以准确预测一个事物未来的发展趋势，前提是我们知道这个事物的初始状态，以及它未来将经历的相互作用。

1846年，我们通过物理和数学预测准确地发现了海王星的位置，可以说是人类宏观世界科学的一大胜利。

毫不夸张地说，如果有一台超级强大的计算机，它可以根据现有的理论预测宇宙万物的未来。这就是现实世界的确定性和可预测性。

这不仅是普通人心目中的世界观，也是20世纪大多数科学家的世界观，爱因斯坦也不例外。但这一切都被物理学中的一个“灵异事件”打破了。

它是波还是粒子

微观世界尺度很小，都是原子电子之类的小玩意。这些东西不仅在生活中看不见，就连科学家也被挡在了门外。我们真正了解原子并建立模型是在上个世纪。

但是有一种粒子已经在我们眼前晃了几百万年了。那时，我们是树上的猴子。那是一个光子！

光子虽然常见，但光是什么？人类思考这个问题已经有几千年了，直到17世纪牛顿兄弟才说光是一种粒子，一种物理粒子。

但是当时有人反对说光是波，因为光作为粒子无法解释光的衍射现象，而如果光是粒子，为什么看不到两束光发生碰撞？这个人就是惠更斯。

由于惠更斯拿不出任何实验证据，而牛顿学霸在当时的科学家中威望很高，所以人们只认粒子。

那么光到底是什么？科学界有两个不同的派别：浪潮派和谷物派！

我们可以把粒子想象成光滑的球，遵循物理粒子的运动规律。换句话说，当你打开手电筒的时候，有无数的光粒子沿着一条直线向外飞。

除了牛顿之前提到的物理粒子，普朗克和爱因斯坦后来认为光是一种粒子，叫做光量子，和牛顿的粒子有本质的区别。量子是不可分割的、不连续的能量。

罂粟认为的波类似于我们生活中常见的水波，有波峰有波谷，可以完美的解释光的衍射和干涉。

但问题是波和粒子是完全不同的东西。现实生活中，我们看到的是物理粒子，而且是波和浪。不可能有两面，就算波是粒子我们也无法理解。

硬币不是正面就是反面。不可能有既有正面又有反面的硬币。事物非黑即白。这是现实的确定性。所以波派和粒派继续撕了一百年，不分胜负。

心灵实验：双缝干涉

也许微观世界有自己的本质，也许真的和宏观世界不一样，也许宇宙真的需要两套不同的理论来解释，事物真的有两面性，就是波粒二象性，而我们只是抱着自己的话，盲目的去摸形象。

那么什么是光呢？科学家们决定做一个实验，这个实验可以完美地探测到波和粒子的不同特性。双缝干涉实验其实很简单，就是在光源和探测屏之间放一块有两个狭缝的挡板。

然后用光源对着挡板射出光子，再观察屏幕上的呈现。这个实验无非是两种可能：

光是粒子，也就是我们所说的物理球，或者生活中的石头和子弹。当光线通过中间挡板时，大部分光线会被阻挡，只有两个狭缝可以让光线通过，光线在屏幕上留下两个条形。这是粒子运动的典型特征。

光是一种波，像水波一样穿过两个狭缝后会发生干涉。峰重叠，谷重叠，峰谷抵消。最后屏幕上留下干涉条纹，看起来像斑马线。

在第一个实验中，我们瞄准两个峰值发射光束。实验的结果是在屏幕上产生了明暗干涉条纹。这无疑说明光确实是波，是可以干涉的。

这是否意味着浪潮派赢了？其实不是的。你在发射光束。能不能换成光子发射？也就是我们上面说的光量子。五谷派认为这绝对是两杠！

第二个实验：重复上述过程，一个一个发射光子。刚开始因为光子数很少，屏幕上出现混乱的图案，但是当光子数增加后，神奇的事情发生了，屏幕上开始出现干涉条纹！

这里先不说波和粒子的竞争，因为有一个全新的问题。我们知道要想产生干涉条纹，必须要有两个波才能干涉，这就是为什么要开两个峰，但是如果缝，没有波会产生斑马线。

但是光子是一个一个发射的，单个光子要么通过右狭缝，要么通过左狭缝。单光子在干扰谁？是不是同时穿过了一道双缝，和自己发生了关系？因此，在双缝实验中，波与粒子之争变得越来越复杂。

如何解决这个问题？科学家们已经想到了一种方法。我们可以在左右狭缝后面加光电探测器，看看单个光子通过哪个狭缝，还是会分别通过两个狭缝？

这里需要注意的是，历史上观察粒子通过哪个狭缝的实验用的是电子而不是光子，因为我们可以向电子发射光子来探测它通过了哪个狭缝，但是我们探测不到光子本身，所以不能自己用光子做实验，但是这并不影响我们的思想实验。

第三个实验：点拍发射光子。探测的结果是光子要么通过左边的狭缝，要么通过右边的狭缝，没有同时处于两个地方，光子还是一个一个的粒子。

这时，波动派和粒子派都松了一口气，这说明光子具有波粒二象性(其实粒子的性质在光电效应中也得到了证实)。甚至波也是粒子，处于两种状态的叠加状态。微观世界真的很奇怪，粒子处于混沌的两面。

但是真正刷新了这里人三观的灵异，还是发生了。

我们只是探测到光子通过了哪个狭缝，实际上导致了屏幕上的干涉条纹消失，变成了两个条纹。这说明我们的观测行为导致了光子态的变化。

这也意味着我们的观察行为影响了结果。这听起来很玄学，难道我们不能看待一个事物，改变它的最终状态吗？

观察者效应

毕竟微观世界离我们很远，我们无法意识到这件事的真相在哪里。让我给你举一个宏观世界的例子。你见过足球运动。

足球运动员射门的瞬间，球是否进不去，与当时足球所处的位置、球员受力的大小和位置、风速等物理因素有关。只要仔细分析，就能判断球能不能进。

但唯一不重要的是你当时有没有看比赛。你看没看，并不妨碍球能不能进。但是微观世界的实验告诉我们，得分与否的结果与你是否看球有关。

这太疯狂了，不可思议。特别是当一些人把人类的意识加到观察者身上时，整个事情就变得更加离奇了。

被下移了几千年的唯心主义，几乎复活了。人类的意识可以改变宇宙的状态。

在上述实验中，我们观察到光子通过双缝时，导致光子的叠加态坍缩为单量子态，表现出粒子的特性。

所以这次我们让光子先通过双缝，当它通过双缝的时候，应该保持原来的叠加态。这个时候我们正在以非常快的速度添加探测器，那么会发生什么呢？

无论我们多快地增加探测器，干涉条纹都会消失。反过来，一开始就有检测器。只要在最后一刻移开探测器，就会出现干涉条纹。

这个实验类似于惠勒的延迟选择实验。光子似乎已经被提前知道了，我们想探测它。当它通过双缝时，表现出粒子的特性，导致干涉条纹消失。只要我们停止观察，光子就开始在双缝处自我干涉。

另一方面，我们未来的选择决定了光子的初始状态！因为光子先做选择，我们后观察。

在微观世界，因果律似乎失去了作用。这是量子力学的世界，这是微观世界的陌生和恐怖。

哥本哈根诠释

双缝干涉实验包含了量子力学中的三个基本原理：叠加态、不确定性和观察者。

叠加态是微观粒子的本质。一个粒子可以处于不同状态的混沌状态，这是多方面的。用光子来说，就是波粒二象性。一个光子可以同时处于左右两个狭缝的叠加状态，可以同时穿过两个狭缝并对自身产生干涉。

测不准原理，也叫测不准原理，在微观世界对我们宏观世界的科学准确可预测性没有影响。微观粒子的行为只满足概率统计，我们无法同时精确知道一个粒子的位置和动量。

这两个物理量的测量误差的乘积必须大于某个值，也就是说，如果我们精确地知道一个粒子的位置，它的动量可能从0到无穷大，这就变得非常不确定。

当单个光子发射时，我们无法确切知道光子会落在屏幕的哪个位置，只能知道它出现在某个位置的概率是多少。这和宏观世界有本质区别，需要用不同的理论来解释。

测量会导致微观粒子波函数的坍缩，即从混沌叠加态到确定态。比如我们对光子(电子)的观测，导致光子从叠加态坍缩到粒子态。这也会导致光子无法神奇地同时处于两路叠加状态，只能选择单缝通过，从而导致干涉条纹消失。

那么这和人类的观察有什么关系呢？

观察这种行为确实是人为因素。似乎是人为因素导致量子态的坍缩，从而导致结结果的改变，甚至导致未来决定过去。

但是如何观察这种行为呢？我上面说过，历史上的双缝实验，我们是不能用光子来观测的，我们用的是电子，因为我们在观测的时候，要想得到该粒子的信息，就必须用另一个粒子与之相互作用，再反馈给我们。

你认为我们如何观察电子？有必要向电子发射一个具有一定能量的光子吗？当光子被反射回来时，我们可以知道电子的状态。

没有这种互动，就没有所谓的观察！但是，这个测量过程会导致电子的状态被限制在单一状态。换句话说，当电子通过狭缝时，我们迫使电子与光子相互作用，这就是导致电子波函数坍缩的过程。

因此，观察行为也是一种量子行为。与人的意识无关。