解读电子双缝干涉实验，单个电子通过双缝为什么也会发生干涉？

电子，这微小的物质单元，是我们解读自然秩序的一个精巧概念。虽未曾有人亲眼目睹电子的真身，但将其设想为存在的理论模型已在实践中屡次验证其高效与精准。在量子力学的世界里，微观实体如电子，在双缝干涉这类双重路径实验中，既能同时通过两条路径，也能只择一途而行，从始点到达终点。这两条路径造成的路径差会诱发描述微观对象的量子态发生相位改变，进而呈现干涉图案。

电子以及其他粒子的衍射与干涉实验，旨在揭示微观物质的双重本性——既呈现粒子性又展示波动性，帮助我们理解其本质及规律。利用单电子、单光子进行双缝干涉，便是证明“一个单独的粒子可以同时通过两缝，并与自身发生干涉作用”，这充分展现了微观物质的波动性与不确定性。

有篇文章对于网络上流传甚广的著名图像来源阐述得模糊不清。实际上，这是由日本学者外村彰带领的团队在1988年进行的电子干涉实验所得到的图像：

该实验采用了双棱镜干涉模式，在两片相互平行且接地的金属板间安放一根带正电的细金属丝，并用电子束照射此装置，通过荧光屏收集到达的电子信息。

图像中的每一个点代表一个电子击中探测屏，但并不能因此展示电子的粒子性，因为构成探测屏的是离散的原子，而非连续的平板时空。该图像可以解释为电子波与离散原子间相互作用的结果，探测动作引发了电子波的坍缩。

在该实验中，每秒约有1000个电子撞击探测屏，电子束中的两个电子相隔约150公里，两个电子同时存在于电子束发射器与探测屏之间的几率微乎其微，不存在“两个射出的电子之间的相互作用”。

关于“观测粒子通过哪一条缝隙会引起干涉图案改变”，哥本哈根解释认为，在粒子发射和抵达探测屏的两个时刻之间，粒子的具体位置无法确定；若要确定粒子的位置，就必须通过某种方式进行探测，而这种探测必然改变粒子的量子态，进而影响干涉图案。

费曼对此提出了干涉的路径积分表述。这是一种数学描述，摒弃了“粒子唯一明确的运动轨迹”这一经典概念，而是通过泛函积分计算出粒子所有可能路径的总和。假设一个粒子需要从发射点A移动到探测屏的点B，A、B之间存在两条缝隙，那么粒子的“所有可能路径”就包括同时经过两条缝隙的路径；若在C点进行探测，那么从C点到B点已无缝隙，因此不会产生干涉图案。

内布拉斯加大学林肯分校物理系研究团队于2011~2012年间成功实现了费曼在1965年提出的双缝思想实验。该实验通过控制狭缝的开闭，测试了电子在三种条件下的物理行为：

一、开放第一条狭缝且关闭第二条狭缝，

二、关闭第一条狭缝且开放第二条狭缝，

三、两条狭缝同时开放。

实验结果符合量子力学的量子叠加原理，验证了电子的波动性。

至于“仅用一个电子能否进行实验”的疑问，这反映出对量子力学基本概念的误解，或者不确定自己是否了解，显得颇为幼稚。在模型中，任意两个电子的物理性质完全相同。重复将一个电子打到荧光屏并取回发射器再发射的过程，与连续发射多个电子所产生的现象并无二致。

实际上，利用单个电子也可以进行某些特定的量子力学实验。在现代技术下，电子可以分裂为2~3个准粒子：空穴子、自旋子和轨道子。“准粒子”是物质运动产生的具有粒子特性的实体，而非“比电子更基本的粒子”。之所以称之为“分裂”，是因为在不同空间位置的电子各自表现出了自身的一部分性质。

电子间因带同种电荷而互相排斥。在非常密集的条件下，为了相互穿透，电子必须改变行为。电子可以通过量子隧穿从金属表面跳跃到附近的量子线，这时就会出现上述“分裂”现象。

如前文所述，电子是我们用于解释物理现象和进行预测的理论工具。虽然我们无法直接观察到电子，但在众多实验和预测中假设其存在非常有效，以至于我们几乎认定电子是真实存在的。在某些特殊实验中，将电子设想为几个准粒子有助于计算，这并不意味着电子是“可分解的基本粒子”。

人们早已知晓双缝实验可以利用中子、原子等进行，使用不同设备，得到相似结果：每个单独的微观物体独立地撞击探测屏，其撞击位置无法预知，显示出过程的随机性；累积大量撞击后，总体呈现出干涉图案，表明微观物体的波动性。

一些文章围绕粒子行为进行故作神秘的描述，甚至提出“意识决定论”。实际上，1987年的发现表明，即使仅获取部分路径信息，干涉图案也不会完全消失。这说明只要测量手段不严重干扰微观物体的运动，干涉图案只会相应改变，不存在“意识介入必然发生作用”的情况。恩格勒-格林柏格对偶关系式对这一量子行为进行了详尽的数学描述。

2003年，人们让碳60分子发生了双缝干涉。2013年，人们让810个原子组成的、分子量超过10000的有机大分子发生了双缝干涉。随着技术进步，我们可以在更大尺度的物体上观察到波动性，证明了物质波模型的广泛适用性，微观与宏观之间并无绝对界限。

2017年，在复杂实验装置中，人们观察到了粒子在装置不同区域突然消失和出现。可以利用波粒二象性之外的模型来解释这一现象：在时空中存在具有负质量和负能量的粒子，在新狄拉克之海中，具有能量的粒子并无固定位置，可以随时被抵消和重建，我们所称之为干涉的，只是我们试图描述其运动的平均状况。

2016年，人们成功让细菌展现了一定程度的量子叠加。2019年，人们让分子量1886的短杆菌肽发生了双缝干涉，并且保持其生物活性。如果技术继续稳步发展，未来十年内，一些病毒和小型细菌有望被用于双缝干涉实验，这试图直接证明“宏观物体乃至生命体同样具有波动性”。