深度科普：为什么说电子双缝干涉实验的结果很恐怖？涨知识了！

两百多年之前的托马斯·杨所做的干涉实验，向我们展示了光不仅仅是粒子，还是一种波。实验结果有力地证明了光能够展现

波的特性，例如自我干涉。

光作为一种波，它在通过两条狭窄的通道之后，会发生干涉现象，在屏幕的后方形成明暗相间的条纹。

这项实验在发明后的一个多世纪中，成为了物理学的核心，甚至被视作现代量子力学的起点。

爱因斯坦提出，光由一个个的“光量子”，简称“光子”组成。

这些光子聚合在一起时表现出波的特性，但当它们单独存在时，又呈现出粒子的特性。这就是我们所称的“波粒二象性”。

也就是说，光既可以是粒子，也可以是波。

在听到“光既是粒子也是波”这样的说法时，你可能并不觉得惊讶，那是因为你对“波”和“粒子”缺乏直观的理解。

但是，如果你听到“XX既是猫又是狗”、“XX既是石头又是金子”、“XX既是活的又是死的”这样的话，你肯定会觉得不可思议。

在20世纪初期，许多物理学家听到“光既是粒子也是波”时，他们的震惊与你听到“XX既是猫又是狗”时的感觉是一样的。

在物理学家们的眼中，波就是波，粒子就是粒子，两者是截然不同的。

比如水波，它是由水分子上下移动而引起的，但这只是表示能量的传递，并非一个实际的物体；

再如声波，它仅仅是由空气分子的震动所产生，除了空气分子和传递的能量之外，并没有其他物质存在。

水波和声波不可能是实实在在的小球在水中或空气中飞来飞去。

然而，随着各种实验的开展和理论物理研究的深入，物理学家们不得不接受这样的观点：波的产生并不一定要有媒介，以太这种物质并不存在，在真空中光波也能传播。

而且光波确实包含了巨大的光子数量，单个光子的行为类似于经典粒子，但聚集起来就形成了波。

当这一观点被越来越多的物理学家接受时，有人提出了一个问题：“在双缝干涉实验中，单个光子是通过了左缝还是右缝？”

物理学家们意识到，真正的难题出现了。

这个问题到底意味着什么？是什么导致了基础理论物理中的经典世界观陷入困境？

让我来详细地为你解释这个问题对物理学家们造成了什么样的震撼。

如果一束光只通过一条狭缝，屏幕上不会出现干涉条纹；

如果光通过两条狭缝，干涉条纹就会出现。

设想我们将一束光看作是由亿万个光子构成，每个光子相当于一个小球。

（当然，光子并非小球，这只是一个比喻，不会影响我们探讨问题）。

当一个光子遇到狭缝时，我们通常会认为这个光子要么通过左缝，要么通过右缝，二选其一。

但问题是，光子是如何在通过左缝时知道还有右缝的存在呢？

光子只是没有生命的小球，它不像人一样能在飞向狭缝时用眼角的余光观察到是否有其他缝隙，

如果看到还有一道缝我就这么飞，如果没有另外一道缝，我就那么飞。

你可能还没听懂，没关系，我会用图示来解释，这个事情我必须详细说明，因为这关乎整个量子力学的基础。

现在，我们先假设只有一条缝，看看光子如何通过这条单缝：

光子通过单缝时，会随机地落在屏幕后方的一片区域内。

我们可以做一个简单的实验，发现这就是所谓的光的“衍射”现象，一束光通过一条狭缝后，会在屏幕上形成一片光亮区域，

离狭缝越近的区域越亮，离狭缝越远的区域越暗。在这幅图中，我们把光子想象成小球，它们通过一条狭缝后，并非走直线，

而是根据概率分布在屏幕上，中间多两边少。

但是，如果我们在那条狭缝旁边再开一条缝，情况就会变得非常奇妙，仿佛光子成了一支训练有素的军队，排成了整齐的队列。

如果是双缝，光子通过双缝后会在屏幕上规律地排列。

光子能排列成整齐的队形并不奇怪，可以用波的干涉现象来解释；但单个光子是如何在通过左缝时知道右缝的存在，通过右缝时又知道左缝的存在呢？要知道，相对于光子的尺度而言，双缝间的距离就如同地球与月球之间的距离。简洁地提问就是：单个光子到底通过了左缝还是右缝？

我担心你可能还没有完全理解这个问题的奇特之处，为了确保你能明白，我再举一个例子。假设你是一个足球运动员，在你和球门之间立着一个双缝墙，你开始向两条缝隙踢球，你觉得会发生什么？是不是像下面这幅图展示的那样：

但如果你踢的不是足球，而是一个个光子，你会看到如下奇特的景象：

这样的景象在现实生活中看到，你肯定会觉得不可思议，像变魔术一样？难道这是真的？这是为何？

哥本哈根学派的物理学家玻尔向大家解释道：“这个问题本身不成立！光子既不是通过左缝，也不是通过右缝，而是同时通过了左缝和右缝。”请注意，玻尔并不是指光子会分身术，一半通过左缝，一半通过右缝，他明确表示，同一个光子同时通过了左缝和右缝。

是的，你没听错，这正是严谨的物理学家所说的话。相信我，当你感到困惑的同时，我也有同样的感受，量子世界的行为几乎无法用正常思维去理解。按照我们的理解，爱因斯坦和玻尔可以分别位于德国和丹麦，或者他们可以今天在德国，明天在丹麦；但如果有人告诉你爱因斯坦同时位于德国和丹麦，玻尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔，你一定会认为他思维混乱。

当哥本哈根学派这样解释时，他们也是冒天下之大不韪。大多数物理学家都反对玻尔，尤其是爱因斯坦，对他表示失望，认为玻尔抛弃了基本的理性。还有一位最激烈反对的物理学家表示，如果哥本哈根学派的解释正确，他宁愿放弃物理，转行做医生。

你可能会想，大家何必争吵呢？光子到底通过了左缝还是右缝，我们在实验室里仔细观察一下不就行了吗？直接做实验验证不是更好吗？你的想法完全正确，物理学家们也是这样想的，但实验的难度远超人类的想象。光子不是足球，也没有摄影机能够记录下光子的飞行轨迹，也不能在光子上安装跟踪器，全天候跟踪。

再深入一点，我们之所以能“看见”物体，是因为物体发射出无数的光子，或者反射出无数的光子，这些光子在我们的视网膜或底片上成像，让我们“看见”。但如果我们要“看见”的对象是光子本身，那问题就大了，这个光子如果射到了我们的眼睛里，它自然不会跑到左缝或右缝去（跑到我们眼睛里了）。

那么，有没有可能反射其他光子呢？很遗憾，不可能，因为其他光子和它一样大，能量一样强，它没有能力把其他光子反射出来，同时自己的运动不改变，就像一粒子弹不能把另一粒子弹反弹出去一样。总之，要“看见”光子通过左缝还是右缝，几乎不可能。

但是物理学家们毕竟不同于常人，他们的探索之魂无人能及。

他们不久便察觉，不单单是光，连电子流也能呈现出双缝干涉的奇景，电子亦展现出波粒二象性。与测量光子相比，测量电子轻而易举，这得益于电子既有质量又携带电荷，其尺寸也远大于光子。于是，科学家们便能在双缝的每个缝隙安装观测设备，以监视电子是否穿越狭缝。

因此，众多物理学家为了证明哥本哈根解释的荒诞，不惜耗费巨大精力改良实验装置，不断提升测量精度，日以继夜地在实验室里挥洒汗水。他们渴求获得确凿证据，以证明电子在双缝干涉实验中确切地通过了特定缝隙。

然而，实验结果出乎意料。我们必须得承认，物理学家们秉性诚实客观。尽管他们对哥本哈根解释反感至极，但全球的物理学者们都不得不承认，实验表明：

一旦在双缝上安装了观测装置，电子的确可以通过特定的缝隙被观察到；但诡异的是，一旦电子被观测到，双缝干涉条纹便会消失无踪，而忽视观测时，双缝条纹又奇迹般地显现。这如同那个以光子作为足球的实验一样，一旦有人看到了足球穿过某道墙缝，足球便不再整齐地落入网内固定的位置，而一旦无人观察，足球便会奇迹般地再次落入那些固定位置。

如此奇异的现象，物理学家们绞尽脑汁也无法理解，为何电子的行为与观测竟有牵连？

一旦观测，电子只选择一条缝隙通过，不形成干涉条纹；忽略观测，电子却似同时通过两条缝隙，留下干涉条纹，这实在不可思议。

举个例子，假设你用一支自动射击的冲锋枪瞄准靶心，每次都能命中，你对此甚是满意。但当你换成由电子制成的“子弹”，一旦你盯着靶心，每次都能命中，但一旦你背过身，等你转回头，发现“子弹”以靶心为圆心，散落一地。你以为是枪的固定装置出了问题，于是盯着靶心再次射击；这次仍旧是每次都命中。但当你再次转身射击，“子弹”又开始乱飞。

这已经远远超出了奇异的范畴，近乎令人疯狂。

还记得爱因斯坦世界观的中心及其两大基本点吗？中心即“因果律”，两大基本点是“定域”与“实在”。如今，“实在”这一爱因斯坦理想宇宙的基础受到了严重质疑，因为实验反复向物理学家们表明：电子的行为似乎与我们的观测有关。

电子似乎不再是一个独立于我们意识之外的“客观实在”，它仿佛是为我们而存在，为我们的观测而表演，其行为受我们“看”与“不看”的影响，爱因斯坦的世界观遭受了首次最直接的冲击。

此时，玻尔带领的哥本哈根学派再次站出来解释：“正如大家所见，电子的双缝干涉实验结果总是一致。

这表明电子必须遵循‘不确定原理’，即电子的运动路径是不确定的，我们不能用一条直线来描绘其轨迹，而要用一团概率云来表示。在观测前，我们无法确定电子的确切位置，只能知道它出现在某位置的概率。当我们观测到电子后，虽然它处于确定位置，但我们仍无法知晓它如何到达此位置或通过何种路径。

事实上，这个电子同时存在于概率云的每一个位置。

而且，我们对电子的位置测量得越精确，对其速度的测量必然越模糊，测量行为本身将影响电子的运动。反之，我们对电子的速度测量得越精确，对其位置的测量也将越模糊。换言之，我们永远无法同时得知一个电子的位置和速度。因此，不确定原理也可称为‘测不准原理’”。

如果牛顿在地下有知，听到玻尔的这番言论，定会勃然大怒，斥责玻尔背离正道。牛顿是坚定的决定论者，他认为，只要知道某一时刻的所有信息，就能预言未来发生的一切。

但玻尔却无情地告诉牛顿：“抱歉，你连最基本的速度和位置信息都无法同时准确得知，何谈计算与预测？”爱因斯坦也表示反对：“玻尔先生，我实在无法赞同您的解释。没有明确的运动轨迹，只有概率，这算什么解释？您以为上帝是一个爱掷骰子的赌徒吗？时间和空间竟被您带到了赌桌上！”

双缝实验的进展已经足够疯狂，竟引出了“不确定性”原理：物质的基本组成——电子，以及所有与电子大小相当的基本粒子的行为都是不确定的。我们只能得知它们在哪里，或它们的运动速度，想要同时知道两者，那是痴心妄想。

然而，接下来的实验更告诉我们一个道理：在量子的世界里，没有最疯狂，只有更疯狂。物理学家们几乎同时发现了一个更“恐怖”的结果：哪怕你是在电子已经通过了双缝之后再去观测电子实际通过了哪条缝隙（原理较为复杂，我们无需深究具体观测手段，只需了解物理学家们有方法观测），一旦进行观测，干涉条纹便会消失。

也就是说，只要你在电子通过双缝之后再观测，电子就不再同时通过双缝；而放弃观测，电子又会同时通过双缝。让电子同时通过还是不同时通过双缝，这个选择可以在电子实际通过之后再决定。

这简直太诡异了！这个实验结果直接与爱因斯坦坚守的“因果律”相悖，原本因果关系明确，结果由原因引起，现在却成了观测行为影响了电子之前的选择，难道结果能改变原因吗？难道历史可以被改变？（费曼辩护说，不是历史可以改变，而是历史本就是无数个可能发生的，许多人听完都晕倒在地）这严重违背了因果律，离经叛道。

哥本哈根学派进一步解释道：“我们认为，没有真正的因果关系，只有‘互补原理’，原因和结果是互补关系而非先后关系。你我既是演员又是观众，观测者与被观测者互相影响，形成互补关系。原因能影响结果，结果也能影响原因。”

爱因斯坦实在坐不住了，他发表了一系列文章，并在公开会议上与玻尔辩论。他认为玻尔已经从物理学家蜕变为形而上的哲学家，玻尔的理论哪还像物理学，简直就是哲学，还是带有伪字的哲学。尽管爱因斯坦对实验结果同样感到震惊，但他坚信，一定会有一个温暖的、符合经典世界观的理论来解释这些现象，只是我们尚未找到这个理论。

此外，他对物理学家的实验方法也提出了质疑，认为所有的实验结果只能算是一种统计近似，并非颠覆自己信仰的“因果律”和“实在性”的直接证据。

但不管怎样，这个双缝干涉实验对爱因斯坦世界观的一个中心两个基本点中的两项内容造成了严重冲击。整个物理界陷入混乱，从此波澜壮阔，天下再无宁日。

要知道，这个世界上所有物质，从根本上说，都是由基本粒子，也就是量子构成的。如果量子是不确定的，那么由量子构成的我们是否也是不确定的呢？最令人震惊的一次实验发生在1999年，由一组物理学家在奥地利完成，他们用60个碳原子组成一个叫“巴基球”的东西，用它来模拟双缝实验，同样得到了神奇的干涉现象。现代科学家们设想用更大的病毒来进行双缝实验，病毒在某种意义上算是生命体，它们可能具有“意识”。不知道它们将如何体验同时通过双缝的感觉。

如果一个光子穿越有双缝的平面，

只要观察了其中一个缝隙，

那么光子就不会同时穿越两条缝隙，

但如果不进行观察，它就会同时穿越两条缝隙。

然而，哪怕光子是在离开平面（即缝隙后）后，

在撞击目标之前被观察了，

它还是不会同时穿越两个缝隙。

现在我相信你肯定明白了，不仅明白了，而且开始感到困惑了。显然，我们每个人心中那个朴素的宇宙观受到了挑战？