解读电子双缝干涉实验，为何让科学家感到恐怖？

网络空间中，不乏对这项试验的多种描述，多由科普者以易于理解的方式阐述，却也因此不免带来对实验的多种误解。本文将拨开迷雾，向大家揭示真实的双缝衍射试验到底是如何操作的，以及实验背后的真相。

首先，咱们先把实验的步骤梳理一遍：

一、电子双缝衍射实验的操作步骤

看似简单的实验过程：仅需配置一个电子枪，对准双缝进行射击，并在缝隙后方安放接收屏进行观察即可。实际操作却远比这复杂得多，而且需要极高的实验技术。接下来，我们就来探究一下实验前期那令人头疼的准备工作。

1.1、首要难题：连续、稳定且会聚的电子束

虽然电子束的产生并不难，我们熟悉的阴极射线管就能做到。但是，如何让灯丝在实验需求下稳定、可控地发射电子，例如单电子发射，这一点许多科研人员都表示怀疑。

另一个挑战在于，电子带有负电，它们会因相互之间的排斥力而散开，导致能穿过狭缝的电子数量减少。因此，电子束需要通过磁场进行引导，让它们在磁场的作用下沿着固定的方向运动。在20世纪20年代，这样的操作无疑是个巨大的挑战。

1.2、第二个难点：双缝的制作

如果缝隙不够细，电子衍射现象就不会出现。所以，制作出符合要求的、足够细的双缝成了实验成功的关键。那么，制作这样的双缝有多难呢？答案是：确实很难。缝隙需要细到什么程度？接近电子的波长，才能够明显地看到衍射现象。

为计算电子的物质波长，我们来做一下计算。在100伏特的电场中加速的电子，其运动速度如式子1所示，动量如式子2所示。由于电子速度远小于光速，不需要考虑相对论效应，可计算出动量如式子3所示。根据德布罗意公式，可以得出电子波长如式子4所示。我们知道1纳米等于10的负9次方米，这意味着在100伏特的电场中，电子的物质波波长为0.123纳米。

那这个数字代表什么呢？我们来看一下常见分子和原子的直径。氧气O2为0.353纳米、氮气N2为0.36纳米、碳原子为0.182纳米、铁原子为0.254纳米……显然，电子波长比这些常见分子、原子的直径还要小，我们根本无法制造出0.1纳米级别的缝隙。

那怎么办？聪明的科学家找到了一种方法，就是利用金属单晶体中原子间的间距作为双缝。戴维逊就是第一个做出这个实验的人，他使用了低能电子束，垂直撞击到镍单晶的表面。镍单晶的原子间距为0.215纳米，通过调整电子的加速电压来改变入射电子波长的变化。

这里直接给出双缝衍射方程：（a+b）sinφ=kλ（k=0，±1，±2……）。其中a表示缝隙的宽度，b表示缝隙的间距，λ为电子波长，k为主极大级数。即使有了镍单晶，制造这样的双缝装置也是一项非常困难的任务，这需要操作精度达到原子级别。

1.3、第三个难题：接收屏

我们有了电子源和可以产生衍射的双缝，接下来就是“观察”衍射条纹了，然而接收屏又是个难题。有人可能会说，用电视机显像管不就可以了吗？实际上，直接使用荧光屏是不可行的，因为电子波长太短，普通荧光屏的荧光物质颗粒太大，无法分辨出相邻的波峰和波谷。

科学家有两种方法应对这一问题：一是改造荧光屏，让荧光物质的颗粒小于条纹间距；二是利用电流法，通过电子在不同位置的吸收数量，在灵敏电流计上显示读数，最后通过数学计算来还原波峰波谷的位置。这种方法类似于法拉第筒的原理。

1.4、第四个难题：实验环境的影响

解决了前面的问题，是不是就可以做实验了呢？还不行。因为还有两个非常大的困难需要克服。首先，整个装置的真空度要高。因为电子质量小，如果实验环境中存在气体分子，就会和电子发生碰撞，看不到衍射后的干涉条纹。其次，环境的电磁场干扰也不可忽视，电子带电，在电磁场中会改变运动轨迹，导致我们看不到干涉条纹。

在开始实验之前，科学家还需要做三项处理：一是抽真空，二是电场屏蔽，三是磁场屏蔽。这些过程都不容易，如果要提高实验的精度，每一步都会非常耗时。

二、是否可以拍视频记录实验过程？

解决了所有问题后，实验终于可以开始了。有人可能会问，我们能否拍视频记录实验过程呢？答案是：做不到。因为在黑暗的房间里，我们需要开灯才能看到物体，而电子是看不见的，我们无法通过光线反射来观察它们的运动轨迹。因此，我们只能通过荧光屏或电流计来接收信息，通过数学计算来描绘出干涉条纹，然后在电脑屏幕上或打印出来。

三、电子双缝衍射实验的升级版

我们克服了所有困难完成了实验，看到了电子通过双缝后的衍射条纹，但新的困惑也随之产生。电子作为一个实体粒子，为何表现出波动性？是不是因为电子束中包含多个电子，电子间会相互干扰，从而产生干涉现象？接下来，我们将探讨五个加强版的电子双缝衍射实验。

3.1、单电子双缝衍射实验

如果之前的推理正确，那么一次只发射一个电子，就不会发生干涉现象。但事实却相反，即使一次只发射一个电子，干涉现象依旧出现。这该如何解释？一个电子怎么可能与自己发生干涉呢？难道电子有分身术？

3.2、单电子双缝延迟衍射实验

在之前的单电子双缝衍射实验中，整个装置处于屏蔽外界电磁场影响的真空中，我们无法观察到电子如何通过小孔进入双缝并投射到屏幕上。为了观察，科学家在双缝后安装了线圈，电子穿过线圈时会产生感应电流，通过观察连接线圈的电流表指针变化，就可以知道电子通过了哪条缝形成干涉。但奇怪的是，一旦放入线圈，干涉条纹就消失了，而取出线圈，干涉条纹又出现了，不管谁做，在哪里做，结果都一样。人们称之为单电子双缝干涉延迟实验。

3.3、量子擦除实验

现在将之前的电子双缝衍射实验再改造一下，确认可以产生干涉条纹后，小心操作一个缝隙的挡板直到干涉图样消失。这表明，因为可能获得路径信息，干涉图样被消除。但如果通过特殊程序擦除路径信息，干涉图样又会重新出现。

3.4、双源电子双缝衍射实验

之前我们说的是来自同一灯丝的电子，现在科学家用两个灯丝发出的两束电子流做了同样的实验。结果显示，使用两个电子源可以产生“双源干涉”。如果我们探测到电子源的路径信息，屏幕上就不会显示干涉图样；如果不探测路径信息，屏幕上就会显示干涉图样。这意味着，当我们看到屏幕上的干涉图样时，我们无法知道电子是从哪个灯丝发射出来的。

3.5、改变路径电子双缝衍射实验

在这个实验中，在原有的电子双缝衍射实验基础上，给双缝安装快门，实验中保持一条缝隙开放，另一条关闭。也就是说，电子只能经过两条缝隙中的一条。实验结果显示，只要电子的路程差允许到达探测屏，无论它们来自哪一条缝隙，干涉图样仍然可以被观察到。

四、电子双缝衍射实验的最大误读——观察会影响实验结果

从我们之前看到的电子双缝衍射实验来看，所谓的观察实际上是通过经典仪器与电子发生作用，如线圈、挡板、接收屏、法拉第筒等装置。这些都没有意识的参与，实际情况是，实验过程中，有很多科研人员在旁观看，他们的意识对实验结果不会有任何影响。

实际上，意识影响实验结果的观念来自一些科普者为了解释实验过程，而加入了自己的解读，用摄像头代替了实验中的检测手段。这导致了很多不明真相的人对实验过程和结果产生了严重误解。

从我们之前的检测过程很容易想到，电子穿过线圈时，会在线圈中产生感应电流，进而产生磁场瞬间作用于电子束，从而破坏了干涉条纹。这跟意识影响电子运动路径没有关系。