双缝实验

双缝实验是著名光学实验。1807年托马斯·杨在《自然哲学讲义》中第一次描述了双缝实验，操作极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，可形成一个点光源；再在纸后面放另一张纸，不同的是在第二张纸上开了两道平行的狭缝；从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹。这就是我们所称的双缝干涉条纹。

在量子力学里，双缝实验是一个测试量子（光或电子等粒子）的波动性与粒子性质的微观行为的实验。实验中虽然可以使用不同的仪器，但都会得到类似的结果，显示出物质粒子的波粒二象性。

双缝实验

发现历史

双缝实验由英国科学家托马斯·杨最先设计完成。他1801年做出了双孔干涉实验，首次肯定了光的波动性。按照杨提出的干涉原理，能成功解释牛顿环，精确测定波长。这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，但他认为光是在以太媒质中传播的纵波，这与光的偏振现象产生了矛盾。

当时，光的微粒说一统天下，杨写的论文受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”，有近20年竟然无人问津。杨为了反驳，专门撰写了论文却无处发表，只好印成小册子，据说发行后“只卖出了一本”。

1818年,菲涅耳在巴黎科学院举行的科学竞赛中，用实验证实了不可思议的“泊松亮斑”的存在。他以光的干涉说补充了惠更斯原理，形成惠更斯-菲涅耳原理。而在1817年时，杨针对波动说与光偏振现象的矛盾，意思到如果光是横波或许问题可以得到解决。他把这一想法写信告诉阿拉果。阿拉果立即把这一思想转告菲涅耳，菲领悟到了这一点，立即用这一假设解释偏振现象，证明了光的横波特性，从而使光的波动说进入一个新的理论认识时期。

理论依据

为了要了解在双缝实验里真正发生了什么，早在1909年，杰弗里·英格拉姆·泰勒爵士做了一个关于这方面的双缝实验。他将入射光强度大大减低，设想在每一单位时间内平均只有一粒光子被发射出来，每一个光子的波前通过两条狭缝后会显示于屏幕的某个位置，在该位置的概率可以根据通过两条狭缝后的两个概率波的概率幅计算出来。泰勒爵士发现，显示于侦测屏幕上的干涉图案与原本的双缝实验图案相同，并不是概率幅计算的那个结果。

双缝实验是“原型”的量子力学实验。一束电子或光、或其它微观粒子通过双窄缝射到屏幕上，“粒子-波”的特性能清楚地呈现在出来（光量子称为“光子”，光作为粒子亦称光子）。按照普朗克公式E=hv，光是以分立的能量子到达屏幕，这与频率相关，屏幕也从不接收到任何“破碎”光子的能量。

现在再重复这个实验：先只开一条缝（另一条堵住），光在背景上的衍射被称作光的波动传播的一个特征。如果把光看作是粒子，衍射图像符合我们的经典认识，因为这可以想象是缝隙边缘附近的光子因某种影响而偏折到两边去。实验表明，当相当强的光（亦即大量光子）通过缝隙时，屏幕上的照度非常均匀；降低光强度，其亮度分布是单独的亮斑组合，—符合粒子形成的图像，即象是一粒粒光子打到屏幕上，符合大量光子参与的统计规律。考虑光子在通过狭缝时产生随机地弯折，屏幕上出现明、暗交替的条纹分布也可用光的波性来解释。

然而，在电子衍射实验中，当打开第二条缝隙时就出问题了！这时在屏幕中心附近可以看到干涉条纹的波动形状，而不是预期的将仍然得到有规则的衍射模式，不过光强加倍罢了。但事实上，屏幕上一些最亮处的照度为单缝时的四倍，而不是二倍；在另外一些最暗处的光强却为零，这种强度为零的点给衍射图像的分析解释带来了极大困惑。这些暗点是一条缝打开时电子乐意射中的地方，为什么在打开另一条缝时光子却跑走了呢？它跑到那里去了？或者难道是打开第二条缝导致电子不能再通过它原来的这条通道？

上述现象似乎表明电子是波动而不像是粒子的行为。有分析认为，两条狭缝分别都可以让电子通过，在两条通道同时开放后，可能会因电磁波相干发生相互“抵消”，即两个电磁波的波峰、波谷出现相位耦合引起电子发光效应消失。但是，波动毕竟只是某种因素对电子的一种“扰动”，每一个电子的波动只能是完整的自身波动，要出现电磁波同相干涉，除非电子有“分身术”同时通过两条缝隙来产生自身相干！

对电子是否在实际上分成两半并各自穿过不同的条缝隙？大多数物理学家持否定观点：既然两条途径对电子是开放的，就不应该认为电子为了通过双缝隙而分成两半。

为了观测电子到底是怎样通过缝隙，实验中用高速摄像机对准其中的一条缝隙，结果屏幕上的波浪状干涉花样竞消失了，出现的是单缝时的两条径迹。这种现象被解释是探测器的扰动所致，为“量子测量的‘扰动’的争论”提供了判据。

单独电子累积的的双缝实验干涉图案，与一堆电子的双缝实验干涉图案，两个干涉图案是相同的。所以，我们可以维持一个有秩序的，一致的宇宙观。虽然，对于任何量子尺寸的粒子，我们必须以物质波来看待。

　双缝实验结果图

双缝衍射诠释

美国物理学家费曼曾说：在双缝衍射现象中“包括了量子力学唯一的奥秘”。他以“量子行为”详细分析了电子双缝衍射实验：如果电子枪发出一束电子通过两缝落在后面的屏幕上，则一方面落点呈现出电子像子弹一样的颗粒性，而另一方面，屏幕上的电子分布会呈现出像水波一样的干涉现象。但这种认识被电子的真实行为所否定。

A．在两条狭缝同时打开的条件下，衍射图形是在两条缝分别轮流打开的条件下得到的两个衍射图形的迭加（客观并非如此）。

所以费曼说，这种行为极其神秘，你考虑的越多，就越会感到神秘。人们曾经设想单个电子以各种复杂方式绕行通过缝来解释这种行为，但都不成功。最后人们才认识到，导致这一命题A的原因是B。

B．每一个达到屏幕的电子不是通过第一条缝就是通过第二条缝。

费曼未详细表述如何从命题B到命题A，但根据理解可推导如下：

⑴．如果衍射实验中同时打开两条缝让一束电子通过，则对于一个电子到达屏幕，电子只会是通过某一条缝．以“e-E”表示一个电子通过第一条缝、“e-F”表示另一个电子通过第二条缝，则有E∪F=U为必然事件，E∩F=Ø为不可能事件。

⑵．令x表示屏上的一个小区域，X表示“e落在x上”，则E∩X意味“e通过第一条缝落在x上”，而F∩X表示“e通过第二条缝落在x上”。根据事件运算的布尔代数规则，从⑴可得出

E∩X∪F∩X=X，（E∩X）∩（F∩X)=Ø．

⑶．根据概率的频率定义，由⑵的公式可得

Pr(X)=Pr(E∩X)+Pr(F∩X）．

⑷．根据概率的乘法公式，有

Pr(E∩X)=Pr(E)Pr(X|E）和Pr(F∩X)=Pr(F)Pr(X|F）．

再由⑶有

Pr(X)=Pr(E)Pr(X|E)+Pr(F)Pr(X|F）．

如果电子的运动是轨道运动，则命题B肯定成立。费曼实际上断言“电子的运动不是轨道运动”，这正是哥本哈根诠释的基本观点。

为了摆脱命题A与实验事实之间的矛盾，还有人得出了其它的量子力学诠释。例如有人认为，命题演算中的“分配律”、即（E∪F）∩X=E∩X+F∩X在这里不再适用，虽然⑴成立，但由⑴得不到⑵，也就得不到命题A。建立在这种看法上的量子力学诠释称为“非分配逻辑诠释”（属于“量子逻辑诠释”的一种）。“哥本哈根诠释”追溯到经典概念，“非分配逻辑诠释”追溯到经典逻辑，最终二者都确认全概率公式不适用于微观过程。

还有一种诠释是以否定概率论本身为出发点：法国物理学家吉·洛查克继承了德布罗意的观点，认为概率论仅适用于“隐变量”，隐变因素导致它不适用于计算测量结果的平均值。因而洛查克确认⑴、⑵成立，否定⑶。但由此也得不到命题A。

以建立“量子概率诠释”著称的L·阿卡迪提出如下论点：根据概率的频率定义，⑴、⑵、⑶式适用于任何过程，但⑷的乘法公式不适用微观过程，因此还是得不到命题A。他断言：“量子力学中的一切佯谬都是由于不适当应用贝叶斯公理（概率的乘法公式）理引起的。”

双缝实验示意图

人们以为用“量子概率诠释”是天经地义的推导，而结果表明它并不适用于微观过程。对于究竟是哪一个前提不适用于微观过程，至今仍是一个诡异的难题。

不论是电子、质子，或是任何其它可以被视为属于量子尺寸的粒子，在双缝实验里，粒子抵达侦测屏障的位置分布，是具有高度决定性的。我们可以用量子力学精确地计算与预测粒子抵达屏障的位置的概率。可是，无法预侧，在什么时刻，在屏幕的什么位置，会有一个粒子抵达。这么一个无可争议的、经过多次重复实验所得到的结果，它给予了科学家极大的困惑。粒子抵达顺序的无法预测，意味着没有任何原由而发生的事件，但这是科学家非常不愿意接受的事实。

科学家们试图设计更多的变量来解决这一困难。当电子一堆一堆地对着侦测屏障发射，人们可以很容易地解释所产生的干涉图案，因为人们只要认定这些电子互相地干涉就可以了。可是，当科技进步了，现在有了可靠地发射单独电子的科学器材，应用这单独电子发射器做双缝实验，所得到的干涉图案使人们觉得好像电子有独自干涉自己的可能，这意味着单独电子可以同时通过两条狭缝。

然而，量子粒子能够同时出现于两个以上的地方，此与经典理解发生冲突。因此，最简单方法就是接受物质波的概念，承认量子物质的存在与行为是无法用经典方法来诠释的。

既然单独电子累积的的双缝实验干涉图案与一堆电子的双缝实验干涉图案是相同的，那么我们可以维持一个有秩序的、一致的宇宙观。我们必须以物质波来看待任何量子尺寸的粒子。

近年来的科学研究进一步地发现，干涉现象并不只限制于像质子、中子、电子等这些基本粒子，某些大分子结构的物质粒子也能够产生双缝实验干涉图案，例如像富勒烯(C60)。

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