“少年时”《物质的本源——基本粒子和它们的相互作用》截图
在微观世界里，粒子的行为和我们在宏观世界看到的物质的行为是不一样的，也有违我们的直觉和常识。量子力学为我们研究微观世界打开了一道大门，它用完美的数学解释了微观物理世界很多奇异的现象。在量子力学诞生后近一百年的时间里，一直存在着论争；科学家也一直在设计各种实验，来验证关于粒子奇异行为的理论，揭示量子世界的本质，其中最有影响力的实验就是单电子双缝实验。
在19世纪初叶，科学界对于光到底是波还是粒子，存在泾渭分明的两种观点。
1801年，有一位年仅24岁的英国医生，做了一个实验，引起了科学界的轰动，为光的波动说提供了有力的证据。
托马斯·杨
这位医生叫托马斯·杨，他做的实验叫杨氏双缝干涉实验。让太阳光透过一个红色的滤光镜，再穿过一张开了一个小孔的纸，这样就形成了一个比较集中的“点”光源；在纸后面再放第二张纸，在上面开了两道平行的狭缝。
托马斯·杨利用太阳光的双缝实验装置
托马斯·杨认为，如果光是粒子组成的，从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，会形成两道条纹。
但是，实际观测到的是一系列明、暗交替的条纹，这和水面上两道涟漪相遇而形成的纹路一样。干涉现象是波特有的，因此如果出现了干涉条纹，就证明了光是一种波。光波到了两道狭缝处，形成了两个波源。当左边出来的波峰与右边出来的波峰相遇的时候，强强叠加，就会变得更加明亮；而当左边出来的波峰与右边出来的波谷相遇的时候，相互抵消，就会变暗，从而在屏幕后面形成明暗相间的干涉条纹。这个实验，无可辩驳地证明了光是一种波。
两列光波发生干涉，波峰、波谷相互叠加和相互抵消的示意图
杨氏双缝实验之后一百年，又有一位23岁的年轻人重做了这个实验，又一次引起了学术界的轰动。
这位年轻人叫泰勒，他当时还是一位在读研究生。
英国物理学家杰弗里·泰勒
他研究了爱因斯坦的光量子论文，接受了光是一种粒子的理论。他在光源后加了一层烟熏玻璃，使得光的强度非常低，以至于可以把到达双缝的光看作是一个个光子。这个“弱光”双缝实验，后来被解读为单光子双缝实验，好比用一把“光子枪”，把光子一个一个地朝着双缝发射。请注意，这里的细节和重点是：光子是“一个接着一个”发射的，中间是有时间间隔的（约几个毫秒），而不像杨氏实验里的光是一直亮着的。因为是非常弱的光，要在感光屏幕上留下光影，需要很长的曝光时间，整个实验历时三个月。
入射光束的强度降低到可以认为在任何时间间隔内，平均最多只有一个光子被发射出来，也叫单光子双缝实验
按照光子的粒子特性，当这些光子一个一个飞到双缝前，有的被挡住，而穿缝而过的光子，应该在后面的探测屏幕上留下两道痕迹。但是，实验结果出人意料，记录下来的是类似于杨氏双缝实验的干涉条纹。
泰勒单光子双缝实验中产生的干涉条纹
明明是一个个发射出去的光子，怎么会产生类似于波干涉条纹现象的呢？
如果一个光粒子从上面的缝穿过，而后面一个光子从下面的缝穿过，它们是先后隔开了几个毫秒，到达屏幕不同的位置，既不同时也不同地，怎么可能发生干涉？
难道是光子在穿过缝隙的时候，“神奇”地一分为二，变成了两个带有“波”特性的东西，自己和自己发生了干涉？
物理研究进入了困境，一方面，科学家需要为光是波还是粒子找到身份定位；另一方面，还要研究这些波或粒子的存在状态是怎样的、怎么让一个光子也能产生干涉。
1924年，德布罗意出来“打圆场”了，他认为光既是粒子又是波，具“波粒二象性”。不仅光是如此，电子也是如此，所有的微观粒子都是如此，都具波粒二象性。
1926年，为了描述微观粒子的“波”的特性和微观粒子的状态随时间变化的规律，天才的物理学家薛定谔研究出了一组波函数方程—薛定谔方程。通过解薛定谔方程，我们就可以得到“波函数”，也即得到微观粒子系统的状态。但是，薛定谔在发明这组方程的时候，并不清楚这个“波函数”到底在物理上是一个什么样的存在。
1926年，玻恩解释了薛定谔方程的“波函数”对应的物理意义。在玻恩看来，光子不是确凿的粒子，而是某一时刻在某一点附近发现粒子的概率；而无论德布罗意提出的“物质波”还是薛定谔方程中的波函数所描述的，都不像经典波（如水波）那样代表什么实在的物理量在空间分布的波动，而只不过是刻画粒子在空间的概率分布的概率波而已。
光子在穿过缝隙的时候，确实“神奇”地变成了两个带有“波”特性的东西，而这个“波”既然是概率波，那么它就可以既出现在这一条缝，又出现在另一条缝，让自己和自己发生了干涉—这够神奇吧？
既然粒子的出现只是概率，那么我们能否用测量仪器来探测微观粒子在什么地方呢？波恩认为，在我们测量之前，微观粒子既在这里，也在那里，以一定概率存在。等到我们测量时，粒子就会选择一个单一结果表现出来。这也叫作“波函数坍缩”，这时粒子会决定它的位置！
不同能量状态下氢原子中电子能够被观测到的概率由亮度表示，图中越亮的位置，电子在该位置被观测到的概率就越高。这就是电子的波函数
如果我们把波函数比作骰子的话，那么“波函数坍缩”就是骰子落地的时候。这个“概率波”和“波函数坍缩”解释，是量子力学著名的“哥本哈根诠释”的重要部分。
玻恩的理论太过惊世骇俗，和人们长期以来形成的直觉相冲突，当时并不被大部分物理学家理解和接受。因此，他直到 1954 年才获得诺贝尔物理学奖。在近30年之后，大家才普遍承认他的理论。
在“弱光”（单光子）双缝实验过了50多年之后，物理学家费曼在1961年提出了用电子来做双缝实验。让电子枪一个一个地发射电子，通过双缝后，屏幕上会得到干涉条纹。由于这个实验需要缝隙和间距在纳米量级（10-9m），在当时的技术条件下，只能是一个思想实验。
美国物理学家费曼和他的思想实验
德国科学家琼森和他的电子束双缝实验结果
1961年，德国科学家琼森将一束电子（注意是一束，而不是单个电子）加速到50KeV，让其通过缝宽为a=5x10-5m、间隔为d=2x10-6m的双缝，当电子束通过双缝撞击到荧光屏时，发现了干涉条纹。这个实验类似于杨氏双缝实验的电子版。
1974年，意大利科学家Merli、Missiroli和Pozzi用“单电子”来实验，并用电子双菱镜来代替双缝（注意不是双缝）。让电子有间隔地、一个一个发射出去。然后，在荧屏上记录电子的位置。当电子一个一个地累积起来的时候，最终的图像显示了干涉条纹。
意大利科学家和他们的单电子双缝实验结果——随着时间推移形成干涉条纹
这个单电子的双缝实验，在2002年被《物理世界》的读者投票选为物理史上最美的实验（排名第一），而1801年的“原版”杨氏双缝干涉实验排在第五。
而真正实现费曼提出的单电子双缝实验的，是科学家罗杰·巴赫（Roger Bach）等人（2013年）。实验中的双缝的宽度为62纳米，中心间隔272纳米。在这个实验中，两个狭缝都可以随意机械式地打开和关闭，最重要的是，它具备了一次检测一个电子的功能。
单电子的双缝实验证明了量子力学的正确性：
电子具备“波粒二象性”，既是粒子，又是波。
电子的位置和概率，由薛定谔的“波函数”方程决定。
我们对电子进行观察的时候，“波函数坍缩”在屏幕上显示为一个点的电子。
“少年时”《物质的本源——基本粒子和它们的相互作用》截图，图下显示宏观和微观不同物质所发生的干涉和不干涉情况的比较
前面我们提到了量子力学“波函数坍缩”这个概念，也就是说通常微观粒子既在这里，也在那里，位置不定，而当我们测量它时，粒子就会选择呈现自己的确切位置。
按照量子力学的解释，科学家提出了如下的思想实验：
如果在双缝后面的上方，放一个光子探测器，可以检测到并记录从上面的缝隙经过的光子。此时，我们会得到让人脑洞大开的结果：
首先，探测器会记录到有一半的光子经过上面的缝隙。
然后，后面屏幕上的条纹，居然不再是干涉条纹了，而是两条痕迹。此刻，光子显示出来的是粒子特性！
当对着双缝的光子探测器工作时，干涉条纹消失，意味着光呈现了粒子性
但是，如果我们把光子探测器关掉，后面屏幕上的干涉条纹又神奇般地回来了！
当对着双缝的光子探测器关闭时，干涉条纹出现，意味着光呈现了波动性
这个思想实验的最初版本还是费曼提出来的：费曼设想在单电子实验的双缝中间放一盏灯，当电子通过时，光子打到电子上产生散射，我们就可以看到电子是从哪一个缝通过的。
他分析到，光子撞到电子时会干扰电子，因此，他降低了光的强度。不过，就算只有一个光子，仍然有足够的能量来干扰。他进一步认为，要让光子不干扰电子，只能增大光的波长，也就是降低光子的能量。但是增大波长就会降低分辨率，最后我们可能就看不清了，这就是不确定性原理。最后，他认为：只开灯，不观测，也会让干涉条纹消失。
其实，在费曼这个思想实验里，观测不观测不重要，开灯本身就是宏观世界对微观世界干扰了，这和单光子实验里安放“光子探测器” 的效果是一样的。两个版本的思想实验，本质上是一样的，就是实验过程有没有对粒子造成干扰。
这是一个神奇的思想实验，我们在双缝后面有没有做测量，会影响到后面屏幕上的条纹。
这就是量子力学的神奇之处：当我们没有在双缝后面观察光子时，后面屏幕上的条纹由薛定谔方程来决定其概率分布；当我们在双缝后面观察光子的时候，就会出现我们上面提到的 “波函数坍缩”，光子以50%的概率穿过双缝中的一条，到达屏幕。
玻尔对此的解释是“互补理论”：光子和电子可以表现出波的特性或者粒子的特性，但我们在同一时刻只能观测到它的一种特性，而无法同时观测到两种特性。当我们观察到光子的粒子特性的时候，光子的波动性就消失了；当我们观察到光子的波动性的时候，光子的粒子性就消失了。
在20世纪80年代，科学家做了“which-way”的双缝实验，在双缝后面做探测，看粒子到底是从哪条缝里经过的（这就是which-way的含义）。当这种探测是“深度骚扰”时，对粒子会产生影响，屏幕上的干涉条纹会消失。而当这种探测只是“轻微骚扰”时，对粒子的影响不大，屏幕上的干涉条纹仍然存在（当然，这种“轻微骚扰”的“浅浅一瞥”，并不能十分可靠地给出粒子经过哪一个缝隙的信息）。确实，我们在宏观世界“看”， 这一眼看得“轻”还是看得“重”，会影响微观世界粒子的行为。
2011年，意大利的科学家用几层原子做成过滤器，作为“which-way”探测器。粒子经过没有过滤器的缝隙时（相当于没有被探测），受到弹性散射，变成柱形波；而粒子经过有过滤器的缝隙时（相当于被探测了），受到非弹性散射，变成球形波。球形波和柱形玻碰到一起，无法形成干涉条纹。这从波形的角度解释了为什么“探测”这件事本身会影响到实验结果。当科学家将过滤器厚度增大的时候，干涉条纹消失；而过滤器很薄的时候，有微弱的干涉条纹存在。
一种“which-way”实验结果：粒子经过没有被探测的缝隙时变成柱形波；而当它经过被探测的缝隙时，变成球形波
如果和上一个实验结果结合起来，我们或许可以说，当我们探测时，“重重地看了一眼”，一下子把粒子变成了“球形波”，没被看的粒子维持着“柱形”，“球形”“柱形”两不相干了。
近来科学家又有新的创意和突破：他们使两个粒子互相纠缠（可以想象成一对孪生的粒子），其中一个粒子用来做“which-way”的观测，另一个粒子通过双缝干涉。这样一来，科学家同时获得了粒子特性和波的特性。
双缝实验和波粒二象的研究至今依然让科学家着迷。
从1801年的杨氏双缝光干涉实验到2013年的单电子双缝实验，一个简简单单的双缝，间距只有几厘米甚至几十纳米，却前后跨越了二百多年，见证了光的波动性的涟漪、波粒二象性的神奇、薛定谔方程的美妙和量子力学的石破天惊。可以毫不夸张地说，正是双缝，让我们得以初窥微观粒子世界的奇妙。
科学家也一直在设计进一步的实验，来搞清楚到底是什么引起“坍缩”，我们的测量手段本身在其中起了什么作用，平行宇宙是否存在，量子纠缠到底是怎么回事等等。通过探索这些未解之谜，科学家或许会对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的观点做出回答。
本文刊登于2018年8月出版的“少年时”系列《物质的本源——基本粒子和它们的相互作用》，作者为海上云，他从事计算机网络方面的研究开发，获10多项美国专利，也是“少年时”专题编辑。
《少年时》系列出版物聚焦于探讨全球热议的新锐科学和人文话题，传播国际教育新知和创新思维理念。《少年时》收集了世界级科学家和学者研究的48个热门话题，从人类进化到人工智能，从数学在西方到硅谷的演变，从幸福的科学到写作等学科探究，引领中国现代少年明辨探究，实事求是，展开前沿科技的创新和维护人类文明的对话。
制作《少年时·物质的本源——基本粒子和它们之间的相互作用》的初衷，总编祝伟中是这么说的：
1.在某种意义上，孩子接受基本粒子物理学的一些观念，是不是比大人容易呢？因为他们对我们生活的宏观世界的认知还没有那么根深蒂固。就如孩子越小学游泳越容易那样。
2.深究事物、追根溯源，是人类的本能，是人类的追求，更是现代人的素质和情怀。
3.我们不是用童书的方法来讲基本粒子物理学，而是试图用科普书的方式来讲，也就是简化、浅化物理书，让大人小孩都适合看。而且刚好沿着学科发展的时间线，能够由浅入深。从头开始看，能看到哪一篇，就是哪一个层次。
4.基本粒子物理学跟我们的生活有没有关联呢？我们知道，基本粒子物理学的一个重要理论是量子力学，而现在的半导体物理就是基于量子力学的；没有量子力学，就没有计算机和一切电子设备，也就没有我们的现代化社会。
编辑：雾里熊
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