Question

光的干涉现象和双缝实验有什么关系？

Answer 1

我们在高中的时候曾经学过一个实验，名字叫做双缝实验，我们准备一个蜡烛，在蜡烛后面放置一块只有一条长缝隙的挡板，然后在后面放置一块有两条长缝隙的挡板，最后再放置一块黑色屏幕，屏幕上会产生明暗条纹。

这个实验是托马斯·杨所提出来的，他证实了光纤通过平行且距离很小的两个小孔，通过两小孔频率相同的光会发生互相影响投射出明暗相间的图案，第一个挡板的作用是让蜡烛发出的光先衍射，变成一束稳定的相干光源，这样可以排除干扰，能更清晰地观察到试验结果，第二块挡板的作用是让相干光变成同样的两列光源，这两列光源发生干涉，相位相同效果就加强，相位有差就抵消。

在这个实验中托马斯·杨提出了干涉这个名词，杨氏双缝实验也被称为光的干涉现象。

这个实验在当时造成了极大的轰动，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，牛顿的微粒说占据了学术界主流，被科学家奉为圣经。

什么是微粒说呢？牛顿在法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上，根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于 1675 年提出假设，认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。

但是托马斯·杨的实验却证实了光的波动理论，光的波动说认为光是以波的形式在运动。微粒说和波动说在此后的数百年时间里一直在争论不休。

20世纪初，随着科学家对世界的研究从宏观到微观，德布罗意在 1924 年提出了“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。

1927 年，C . J . 戴维孙和 L . H . 革末在观察镍单晶表面对能量为 100 电子伏的电子束进行散射时，发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，G . P. 汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时，也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了 L. V . 德布罗意提出的电子具有波动性的设想，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。

我来和大家梳理一下背景，双缝实验是指光通过木板的狭缝从而射在屏幕上，而深入到微观领域，那就变成了电子双缝实验，光子是以波的形式运动，由于存在干涉，穿过双缝后会出现一道道痕迹。（电子和光子都属于基本粒子）

但即使是一个个光子发射，也同样会发生干涉现象，条纹清晰地出现在屏幕上，这究竟是发生了什么事情。

哥本哈根解学派掌门人玻尔的解释是：“我们无需去关心它“本来”是什么，也无需担心大自然“本来”是什么，我只关心我们能“观测”到大自然是什么。电子又是粒子又是波，但每次我们观察它，它只展现出其中一面，这里的关键是我们“如何”观察它，而不是它“究竟”是什么。”

这段话的意思就是：它既是一个粒子，同时也是一个波！你观察的角度不同，那么你看到的东西也就不同。。

但是爱因斯坦却表示了反对态度，单个电子怎么可能通过两条缝隙，难道电子会分身术吗？因为两条缝隙的距离虽然非常小（10∧-9米），但是对于电子来说，这个距离是电子身高的270亿倍。

后来科学家发现，单个光子并没有同时穿过双缝，而是只通过了其中一个缝，这表明此时的电子是以粒子的形态穿过去的，粒子一颗一颗打在屏幕上形成一条长光纹。那么光子究竟是怎么样做到的！这个问题不断困扰着所有人！

如果我们根据电子的速度，当确定它已经通过双缝之后，迅速的在后面的板上放上摄像机，会出现什么情况？

结果是当我们在确定电子已经通过双缝后，迅速的在后面的板上放上摄像机的结果是—没有干涉条纹，无论实验人员如何努力，干涉条纹都不再出现！

反之亦然，如果迅速的拿掉摄像机，又会出现干涉条纹，即便我们在决定拿掉摄像机的时候，电子已经通过了双缝！

究竟是摄像机，影响了电子的行为，还是人类的意识，影响了电子的行为呢？也或者真的是有造物主的存在，它设定好了一个既定的运行法则，不允许任何人窥探，也不容任何人打破，而人类的想法一旦产生，过去就会发生改变，从而修正最终的结果！

后来约翰·惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想，也就是所谓的“延迟双缝干涉实验”，延迟实验的原理相当于把探测器移到了挡板和屏幕之间，让粒子先做出选择然后再观察。

要知道，它们在数百万年就已经出发，它们的旅程早已在出发前就已经被决定，也就说，当人类决定观察它们的时候，它们在数百万年前决定好的旅程路线就发生了变化！

这种诡异的现象仿佛光子是有生命的，被人发现了就变成粒子态，没被发现就偷偷变成波态，完全颠覆了认知。

目前来说，还没有哪个科学家能够对此作出完美的解释，惠勒后来引玻尔的话说，“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，我们是在光子上路之前还是途中来做出决定，这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。更精确地说，光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里，是个什么，是一个无意义的问题，我们没有权利去谈论它，它不是一个“客观真实”！惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点，龙的头和尾巴（输入输出）都是确定的清晰的，但它的身体（路径）却是一团迷雾，没有人可以说清。

然而惠勒的解释依然没有拨开这个实验所笼罩的迷雾，宇宙还存在着太多的未知等待着我们去探寻谜底。