杨氏双缝实验自来就是人类探求物质波动性和粒子性的一个重要窗口，每次改进都曾带给人启迪和欣喜的发现。随着研究的不断深入，这个实验也变得越来越复杂神奇，尤其是后来单个发射电子通过双缝的实验，其结果更是令人乍舌！粒子居然是自己和自己干涉的！
这几天看到一些我们论坛的朋友的争论（不乏一些名宿），觉得大家对这个实验细节的了解还是比较少的，于是查阅了一些资料，这个实验在世界比较高端的实验室，每天都可以重复的进行的，只是在中国好像还不太容易做。以下是一个比较完整的实验过程的模拟视频，其中实验过程都是从真实实验中抽象出来的，其中传统双峰实验的过程相信大家都了解了，主要看单个电子干涉的那部分，出自影片《兔子洞里到底是什么》，希望大家看看，先有个感性的认识。
//v.youku.com/v_show/id_XNDI2MTc4MzY=.html接下来笔者会对其中的一些细节逐一解释，预计分这几个方面：
1发射单粒子的光源以及双缝，在实际中存在与否，是什么样子；
2单粒子从发射到双缝再到屏上的细节；
3关于观察者的观察竟然影响离子运动，以及影响条纹出现的解读；
笔者会尽可能知无不言，但是见识可能还是比较浅薄的，希望大家多交流，多指教。
1实验的实现：
让一个一个粒子通过双缝的实验已经做出来,不单单电子/光子/还有中子等,这些粒子一个个通过双缝的实验称为"积累",因为干涉条纹是在一段时间后显现的,实验物理学家通过多年的努力终于实现这一点。
最早实现单个发射的是电子，下面这个实验是近期的，hitachi2002做的电子双缝干涉实验，其中的电子发射源不难实现，但是根据德布罗意理论，电子的波长仅为1点几A，所以双缝选择还是比较不易的，是通过一些晶体的层间距实现的。将实验特点总结如下：
１，肉眼可以看到：屏幕一次只能收到一个电子 。
２，发射源与屏幕距离1米，电子速度是12000公里/秒，可以说电子发出到接收时间可以忽略不计。如果是两个电子同时通过双缝，那么即使电子速度有细微差异，到达屏幕时间稍有差别，我们是绝对看不出来的。换言之，我们应该可以同时看到两个电子落到屏幕上。
３，屏幕上有干涉条纹。
这里有个重点要强调，所谓单个电子的发射是以屏的接收为依据的，即无论每次发射能否保证仅发射一个电子，但是在发射间隔时间内，保证最多屏上只能接收到一个电子（或者收不到），这样就保证了通过双缝的电子都是单独通过双缝的（否则发射间隔内，会在屏上有多于一个电子的能量被检测）。
A.zeilingger等人实现了中子干涉图像的积累，殿村等人以另一种形式实现了电子干涉图像的积累，这里就不详述了。后来feynman进一步分析，如果用光照一下某一个狭缝以便判断电子是否从这个狭缝经过，则干涉条纹就不会产生，也就是光子窥探，视频中那个长长睫毛的眼睛。有关这方面内容暂时留到在后面讨论。
而单个发射光子的双缝实验，直到上世纪80年代，才被Aspect研究组实现。试验过程比较复杂，主要方法是通过激光双光子共振激发Ca原子束，再配和一系列检测“光的统计性质”的仪器，确保干涉装置同时只存在一个光子。当然实验也验证了一个光子自己和自己的干涉现象。
2实验中的细节：
首先有一点我们是要清楚的，可控光源发出的光都是一束，而非一条固定的直线，在我们发射多个粒子的时候是一束，单个发射时也是一束（而非这一束中确定的一条直线）。这一束光线必有一个自由范围的（指角度），它必将覆盖两个狭缝，这个是整个实验的前提。举个例子即使我们用激光，出现的也不是完全平行的光，都是渐开的（虽然很不明显），当到达双缝所在平面时，它扩张的面积已经非常大，而我们知道双缝的大小和距离都是根据粒子波长定的，我们选择的粒子（电子等）的波长都那么小，这个覆盖是很容易达到的。于是这个粒子就有可能从双缝中的任意一条飞过，亦或是撞到双缝所在的壁上没有通过（事实上这种可能更大），就每次发射的粒子来讲，可能到不了最后的屏上，但只要通过的都会被积累，时间久了，就出现了干涉条纹。
强调一点，单个粒子之所以有通过“双缝”的可能，来源于粒子源的特性，即在粒子发射的刹那，光子被赋予了向的不确定性。
这里最难理解的还是光源发出的单个粒子的光线（姑且称之为光线），在发射后到缝所在平面这段时间方向居然还是一个范围而非确定的向（直到你企图对它的轨迹进行观测），即在传播中保持着初始时的向不确定性，这并不与“光的直线传播”矛盾，因为在每个可能向上光还是沿直线传播的，而我们对光沿直线传播的实验验证也和这种假设毫无矛盾，这其实是对“光的直线传播”说法的扩展，即“光可以沿不只一条直线传播”。
至此笔者只是在对实验的过程进行客观描述和常规分析，因为笔者的初衷以这个实验过程为依据，来开启量子力学的学习，为了符合更多新朋友的认知顺序，暂时不引入量子力学的相关理论对实验细节进行分析解释。（对于熟知量子力学只是得读者可能显得啰嗦了）
下面我们来讨论一句话的理解：“光子既有可能通过缝P1又有可能通过缝P2”，这句话大家应该都能接受，但是我们仔细想想这句话到底是表示“光子同时通过了P1和P2”还是“在那一瞬间只通过了P1、P2之一”？作为波似乎通过波面上的“P1和P2”更合理，可作为粒子似乎通过“之一”更合理。但此时我们只有一个光子，这一个实体如何再分？似乎“之一”的解释更适合，可是屏上的结果却是“P1和P2”共同作用的结果！这似乎有点矛盾！（知道波粒二象性的朋友可能会说这是粒子波粒二象性啊，但要知道这只是你给这一奇怪现象冠了一个名字，并没有真正解决这一现象引发的矛盾）下面我们回到这一段开头的那句话“既有可能通过P1又有可能通过P2”，这句话其实还差一个条件，就是这个可能性能否被感知和预判。
宏观世界里我们生活中也有随机的现象，但是要知道这些随机的事件都是可以预判的（只要你掌握足够的信息），哪怕是掷骰子你只需对它的受力做准确的分析也是可以对他的随机结果做预判的，真正的随机现象实际我们很少见到，想以人工的方式模拟一个纯粹的完全随即现象几乎是不可能的，但是这并不说明这种完全的随机（指永远不能预判，与我们测量能力无关的随机）在自然界是不存在的，正如我们很难把一个非光速粒子加速到光速，但是光速运动的粒子在自然界是可以找到的。如果我们承认这种完全不可预判的随机现象存在，即设“P1P2之一”这个“之一”永远不能被测量确定或预判，那么当我说：“同时通过完全不能确定的两缝之一”等价于“同时通过两缝”的时候。你将永远不能验证这句话真伪，因为当你尝试区分这两个概念的时候一定会破坏“完全不可确定的随机”这个概念，于是这两个概念居然真的是等价的！这里有一点绕，大家琢磨一下。
至此光子到达双缝前的事情就都说完了，做一个一句话的概括就是“这一个光子同时到达了双缝P1P2”，那么接下来的衍射干涉过程将显得十分顺理成章，和传统的杨氏双缝实验很类似，不同的是从双缝衍射出的波并非能量的光波，而是同一个光子通过不同路径尚未确定的可能性。而屏上的结果是光子确实实现了“自己和自己的干涉”，即使是仅仅一次的发射，这个聪明的光子依然会落在双缝条纹所准许的那些点上，宛如分别发射的光子在事先已经商量好了一般！
这里有一个关于信号传输的问题要说，大家都知道最大的传播速度是光速，按理任何信号的传播都不能超过光速。为了解释单个光子“这种先知先觉”的现象，还有另外一个解释：有人提出光子可能在每一个细小的运动之前发出了某种信号，对自己将要走的路径上的各种情况做了一个完整的扫描，根据结果决定最终的路径，然后再进行运动，但这里我们要注意，光子自己的运行速度就是光速，它发出并接受的信号一定是超光速才能实现预判，信号的传播速度实际要超距（即无限大），这已经违背了光速最大原理。不过仍有人坚持说：超光速的不是含有真实能量的光子，只是光子的一种信息，是可以超距作用的，说到这种地步，其实又出现了不可验证真伪的说法，即每一瞬时都发出并更新的信息，并且扫描的是全部的世界，包括我们测量的过程也会被不经过时间的扫描在内，所以我们没法设计检验这种说法的实验。这种说法一定让大家觉得更加荒谬！不过概括一下我们会发现：这种说法“准许非能量的粒子已超光速运动”；而概率说提出“准许非能量的波动充满空间”，这两者其实还真是异曲同工！一个挑战了光速最大原理，一个挑战了物质在空间的存在形式！而两者的假设都含有不可证伪的因素！当然，最后量子力学更多选择了后者，并在后来的实验中发展的很好！
3测量的影响
我们承认完全随机的不可预判性，结果导致了一颗光子同时通过两个缝，这样听起来荒诞离奇的结果。细心的读者可能已经开始质疑，你凭什么把“单个光子通过双缝的现象”归到完全不可测的随机类型中呢？粒子通过双缝中的哪一条又不是真正难测的事儿，于是许多人设计出了自己的试验，企图窥视光子究竟在那条缝通过！
最早是Feynman提出的对单个电子双缝实验的光子窥探，但是要知道电子（或中子）和光子的作用比较微弱，不易检测。这个提议后来由Pritchard在MIT用原子干涉仪实现了这个实验，他们用共振光照射干涉仪中的原子，发现如果光子能够提供散射它的原子在干涉仪中的“哪一条路径”的信息，原子的波动性将被毁灭。
这里为了便于描述，笔者把这个实验做一些抽象和改变，使它更符合双缝实验的模型。其实很简单，只是把粒子源改为发射单个原子，而其他实验条件与原双缝实验没有定性的改变，不过在双缝处，设置一种发射光子的检验装置，每当光子和飞过原子碰撞在一起的时候，光子将会被散射，我们通过检验光子的散射角度，即可判断原子从哪里飞过。这就相当于视频中那个长长睫毛的眼睛:)
实验过程中我们成功的探测到了原子从双缝中的一条（比如说P1）通过，但是，正如视频中描述的那样，一段时间后，屏上明暗相间的条纹不见了！当我们拿走光子的检验装置重做这个实验时，屏上又出现了明暗相间的条纹！
这里要强调一点，其实视频中在此处有一个小错误，被窥测的实验，最后在屏上明暗条纹消失，形成的是连续的光幕，而不是视频中说的两条“弹痕”！（可类比后边Englert和H.Walther的实验结果）
光子窥探暂时只被实用于原子，而对电子，中子，光子为粒子源的双缝实验窥探都未被真正实践过（可能是笔者查阅资料的能力有限，没能查到。读者朋友要是见过类似试验资料，如能提供或指出，不胜感谢）。确实，光子为粒子源时，我们想用光子窥探或任何其他方法对光子通过那一条缝进行观测，在技术上都是很难的。不过这已经不重要，因为这个概念的核心矛盾已经被在更高的层面上证明，所以这些实验的实现与否，已经不会影响到相关理论的正确性。
“看一眼”就能影响实验结果！这个现象要让经典物理学家们疯掉了！抓狂之余，人们开始仔细来考察“看”是如何作用的？到底是“看的过程”还是“看的结果”引发了粒子某种性质的变化？“看的过程”可以这样定义：某一主体通过某种方式对某一对象进行观察。而“看的结果”就是获得了被观察对象的某种信息。这里我们再提炼一下：“看的过程”中“主体”和“被观察对象”都是确定的了，主要是“观察方式”的选择，而“看的结果”中最重要的就是所观察对象的“信息被泄露”。“观察”和“信息外漏”到底哪一个才是影响实验结果的原因:rol:？
到这里可能有一些读者会有些糊涂：“观察”和“信息泄露”不是等价的么？这里一定要强调一下：这两个概念不仅不是等价的，而且彼此都不能推出对方，即彼此是非充分且非必要条件。详细点说：“观察”不一定“得到信息”，“信息泄露”也不一定非要通过“观察”的方式。
举个例子：刚才的试验中，如果两条原子路径相差小于我们用来窥探的光子波长的一半，这时虽然光子仍然会被散射，但却不会提供原子路径的信息，这时就是“观察了但没有得到信息”，在Pritchard实验中实际上验证了这种情况的存在，此时屏上仍然会出现明暗条纹。波动性居然被保留了下来！
可见，仅以“测的过程是否发生”不能作为“结果改变与否”的判据，这时聪明的读者也许会说，说不定：只有有效的测量，才伴随能量的交换、引发对象性质的变化，从而使实验结果变化。最初物理学家海森伯也是这样想的，他通过一个设想实验：用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标。论证了量测的行为必然引发结果的不准确性，并且给出了著名的测不准原理不等式关系。详细的论证过程在此不再详述，因为许多书上都能找到。这也就是论证了“有效的测量行为可以对实验结果造成影响”。
这时大家可能长出了一口气，看来是“有效的观察行为”使结果改变。但实际上问题没有那么简单，因为“观察”和“信息外漏”是非充分非必要条件。我们还没有验证“无需观察就得到信息”的条件下，结果会不会发生变化。也许你会感到困惑：这种情况存在么？好，让我们来看下面一个实验。
Englert和H.Walther基于量子光学微脉泽，一个长寿命激发态的原子，通过高品质微脉泽腔时，会发射光子而退激到更低的状态上。于是有了如下图所示的实验：
这个实验的特点在于：作为粒子源的激发态原子，单个原子发射后被激光激发（注：激发的过程是全部路径上的原子，不能提供哪条路径的信息，因此不是测量过程），此后原子就不再接受任何能量，也不需要任何测量，他会自发的在某一空腔内退激，并发射光子，然后继续飞向缝，最后落在屏上；同时发出的光子被我们检验到在哪一个腔内出现。图中屏上的光强分布曲线分别对应：不设置隔离空腔和设置隔离空腔时的实验结果。
上述实验的整个过程，在没有任何测量主体（人）和测量行为的情况下，完成了“路径信息的获取”。可见“观察行为”并非“结果改变”的必要条件，“信息泄露”可能才是更直接的原因。同时，把原子发出时的能量和到达缝平面时的能量相比较，发现前后能量并没有发生变化。
粒子“给出信息”，状态即随之改变，可见粒子的“信息”已经独立于能量之外（后来我们给这种信息赋予了物理意义，是空间出现的概率），成为其不可忽视的本质属性之一！
再回到第三部分的开头，现在我们已经验证了：“单个粒子通过哪条缝”是完全不确定不可预判的随机。我们在不改变离子状态的前提下一定无法预判它到底选择了那条缝，因为预判就要得到信息，而信息外漏就影响了粒子的状态。所以在不准许“信息外漏”的前提下，“同时通过完全不能确定的两缝之一”等价于“同时通过两缝”。
用一句话对“单粒子双缝实验”的神奇做一下概括：单粒子的存在状态与信息有关，粒子以信息的形式分裂为二，同时穿过双缝，自我干涉。这样我们才能真正解释实验的现象。
单粒子的双缝实验：有力的支持了“任何物质都具有粒子性和波动性的双重属性”，而波动性不再是“集体行为”，即使精确到一个个体，波动性依然存在，只不过存在的形式已不是纯能量的波动，而是以一种“信息（或者说概率）”的形式。“同一主体同一时间，可存在于不同位置”的神奇之处，使爱因斯坦也不禁惊叫：“我不相信，上帝也会掷骰子”，然而事实证明它是正确的。
波粒二象性的存在，使原本看上去完美而平静的经典物理体系发生动摇，也正是因为它的存在，使原本只能是沉闷、机械的世界泛起了灵性的涟漪。
