雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)光子是通過左縫還是右縫？

1801年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊做了一個(gè)著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，證明了光具有波的干涉現(xiàn)象。萬(wàn)萬(wàn)沒有想到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在誕生的 100 多年后，卻在物理學(xué)江湖掀起了軒然大波。費(fèi)曼評(píng)價(jià)說：雙縫實(shí)驗(yàn)中包含了量子力學(xué)的所有秘密。

首先，讓我們來(lái)了解一下波的干涉現(xiàn)象。所謂干涉，就是波峰與波峰相遇的那個(gè)瞬間，波峰會(huì)變得更高，波峰與波谷相遇的瞬間，會(huì)互相抵消。光波在通過雙縫之后，就相當(dāng)于從一個(gè)波源變成了兩個(gè)波源，于是兩個(gè)波源發(fā)出來(lái)的波就會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。波峰相遇就變得更明亮，波峰與波谷相遇就會(huì)變暗，從而在屏幕后面形成明暗相間的條紋。

在當(dāng)時(shí)，一些物理學(xué)家對(duì)于光既是粒子又是波這件事情感到十分的荒謬，有人提問：“在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)光子到底是通過了左縫還是右縫呢？”

這個(gè)問題不得了，一傳十，十傳百，很快就像病毒一樣傳染了所有的物理學(xué)家，他們陷入了苦苦的思索中。

假如我們把一束光看成是無(wú)數(shù)個(gè)小球組成的，先在平面上開一條縫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是這樣：

一束光通過一條狹縫照在后面的屏幕上，會(huì)形成一片光亮區(qū)域。光子根據(jù)概率分布在屏幕上，離中心越近，光子分布越密集。這個(gè)現(xiàn)象不難理解。

但是，一旦我們?cè)谀菞l狹縫的邊上再開一條狹縫，情況馬上會(huì)變得很神奇：光子就像一支訓(xùn)練有素的軍隊(duì)，排成了整整齊齊的隊(duì)形。

問題來(lái)了：?jiǎn)蝹€(gè)光子是怎么知道前面是一條縫還是兩條縫的呢？把這個(gè)問題問得更簡(jiǎn)潔一點(diǎn)，就是：?jiǎn)蝹€(gè)光子到底通過了左縫還是右縫呢？

玻爾認(rèn)為，這個(gè)問題本身不成立，光子既不是通過左縫，也不是通過右縫，而是同時(shí)通過了左縫和右縫！

這個(gè)回答真是讓人莫名其妙。不出意外，全世界的大多數(shù)物理學(xué)家都群起而攻之，愛因斯坦甚至說玻爾丟掉了最基本的理性思想。

難道沒有辦法用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)光子的運(yùn)動(dòng)路徑嗎？非常困難。試想一下，我們?yōu)槭裁茨堋翱吹健保吭蛟谟谖矬w發(fā)射或反射出無(wú)數(shù)的光子，這些光子在我們的視網(wǎng)膜上成像，所以被我們“看”到。但如果我們要觀測(cè)的對(duì)象就是光子本身，那麻煩可就大了。

好消息是，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)：一束電子流跟光一樣具備波粒二象性。要記錄和測(cè)量電子就要比測(cè)量光子容易得多了，因?yàn)殡娮硬坏匈|(zhì)量，而且?guī)щ?。我們大可以在雙縫中各安裝一個(gè)儀器，測(cè)量電子有沒有通過這道狹縫。

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次讓物理學(xué)家們大跌眼鏡：一旦在狹縫上裝了記錄儀，他們確實(shí)可以測(cè)量到電子通過了某條狹縫；但怪異的是，一旦電子被測(cè)量到了，雙縫干涉條紋也就消失了，如果不去測(cè)量，雙縫條紋又會(huì)神奇地出現(xiàn)。這事實(shí)在是太怪異了，物理學(xué)家們?cè)趺匆蚕氩煌?，電子的行為怎么還跟測(cè)量有關(guān)？

看到這個(gè)結(jié)果，玻爾卻樂壞了：這證明了他的不確定性原理是正確的——電子彌漫在整個(gè)運(yùn)動(dòng)路徑上，只有當(dāng)我們?nèi)y(cè)量它的時(shí)候，它才會(huì)聚攏為一個(gè)點(diǎn)，如果不去測(cè)量，它就是一束波。

通過這個(gè)故事，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們總是在大膽假設(shè)，小心求證，科學(xué)上的很多重大發(fā)現(xiàn)，都源于科學(xué)家們對(duì)常規(guī)思維的突破。天才的不確定性原理，為量子力學(xué)大廈打下了根基。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：科學(xué)聲音

審核：北交大物理實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師 周曉亮

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司