遇事不决，量子力学？带你从零认识量子

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原创：雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后期：王启儒

责任编辑：王启儒

你是否也曾有这样的经历？

在某部科幻电影里，角色突然“瞬移”到另一个地方；或是通过“量子纠缠”实现超光速通信……这些反直觉的情节，总爱披上“量子力学”的外衣。

听起来玄乎，但其实——它们并非全是空穴来风。

诚然，在微观世界，物理规律确实与我们熟悉的宏观经验处处“违和”：粒子可以同时出现在两个地方，信息似乎能“隔空感应”，能量也是一份一份地传递。而更奇妙的是，物理学家们故意把微观的诡异逻辑“放大”到宏观尺度，用“薛定谔的猫”这样的思想实验，逼我们直面一个根本问题：现实，到底是什么？

而这一切迷思的起点，或许就藏在一个看似极其简单的装置里——两条狭缝，一束光，一块屏幕。这就是著名的双缝干涉实验。

波 vs 粒子 从双缝看世界的两种方式

想象你面前有一堵墙，墙上开了两条平行的狭缝。墙后面是一块屏幕，能记录打到它的“东西”。

如果你朝墙发射水波（比如用手指在水面划动）：

水波穿过两条缝后，会像两圈涟漪一样扩散开来，并相互叠加——有些地方波峰+波峰，变得更亮（加强）；有些地方波峰+波谷，互相抵消（减弱）。

屏幕上最终出现明暗相间的条纹，是波的专属签名。波是一种扰动，在我们的例子中，水波就同时穿过了两条缝，并形成了两个“独立”的源头，进而互相干扰形成干涉条纹（见下图）。

现在你朝墙射出一堆子弹（或小石子）：每一颗子弹都是一个独立的实体，它只能选择从左缝或右缝穿过。久而久之，屏幕上只会在两缝正后方形成两条密集的弹着点带——没有干涉，没有条纹。

所以，在经典世界里，波和粒子泾渭分明。

波穿过双缝后形成干涉条纹（左图），而粒子则会打出两条正态分布的亮带（右图）

Credit: CSDN qiuziqiqi

那光是粒子还是波呢

在19世纪之前，光似乎“站队”得很明确——它沿直线传播，能被镜面反射，行为酷似微小的弹丸。牛顿就坚信：光是由无数“光微粒”组成的。这一观点统治了科学界近百年。

但1801年，英国科学家托马斯·杨做了一个简单却致命的实验：他让一束光穿过两条靠得很近的狭缝，投射到后面的屏幕上。

结果令人震惊：屏幕上出现了明暗相间的条纹——典型的干涉图样！这只能用“光是一种波”来解释：光波同时穿过两条缝，像水波一样彼此叠加，在某些地方增强，某些地方抵消。

故事本该就此结束……但物理学从不让人安心。

20世纪初，爱因斯坦研究光电效应时发现：光打在金属上，会像“一粒一粒”的能量包一样把电子踢出来。这些能量包无法用波动理论解释——它们表现得完完全全像个粒子。爱因斯坦称其为光子，并因此获得诺贝尔奖。

于是问题来了：光既是波，又是粒子？

随着技术进步，科学家能把光源调得极弱——每次只发射一个光子。按常理，单个光子作为“粒子”，只能选择左缝或右缝穿过，最终在屏幕上形成两条亮带，就像子弹一样。

可事实令人震惊：刚开始，光子一个一个打在屏幕上，看起来随机分布，像粒子。但随着时间推移，成千上万个光子累积起来，竟然形成了干涉条纹！也就是说，即使我们一个一个发射光子，每个光子仍然同时通过了双缝，与自己发生了干涉，从而出现在“弹着点带”之外的屏幕区域。

每次只发射一个光子的双缝实验数据，可见最后明显的干涉条纹，证明了每个光子与自己发生了干涉，也就是说，每个光子自己也是一种波。

Credit: Hitachi, Ltd 1994

探测对结果的影响

既然单个光子也能产生干涉条纹，那我们是不是可以干脆说：光其实就是波？

别忘了，爱因斯坦早已证明：光在与物质相互作用时（比如打出电子），表现得完完全全像个粒子——能量一份一份地传递，无法用连续的波解释。

于是科学家想：能不能搞清楚，每个光子到底走了哪条缝？如果它真是波，就应该“同时走两条”；如果是粒子，就只能选一条。于是他们在双缝旁边装上了精密的探测器，试图记录每一个光子究竟从左缝还是右缝通过。

结果，干涉条纹消失了！？！屏幕上不再有明暗相间的条纹，而是变回了两条亮带——和子弹实验一模一样。光子突然“老实”了，表现得像一个经典粒子。这就像宇宙在说：“你不看我时，我可以是波；你一旦盯着我，我就只能是粒子。”

但请注意——这里的“看”，并不是靠人眼或意识，而是指任何能获取“路径信息”的物理相互作用。比如，为了探测光子，你可能需要用另一个粒子去“捅”它，这个过程不可避免地扰动了光子，自然而然，被“捅”了的光子跟被捅之前的状态当然不一样。

这也揭示了量子力学的铁律：在未被测量前，微观粒子并不具有确定的“路径”或“位置”；它以概率波的形式存在，遍历所有可能，我们称这种状态为量子态。而测量，迫使它“做出选择”。

回到我们的例子，探测器的“捅”使同时走左缝和右缝的光子，瞬间“坍缩”到某一个确定的状态（只走左缝 或 只走右缝）。这个过程，就叫 量子态的坍缩。这也就可以辟谣一些营销号的宣传，其实不是所谓“意识”改变了结果，而是测量这个行为本身干扰了光子的路径，从而使结果不同。

对于单光子来说，被限制从一条缝中通过其实也可以把那条缝视为新的单光子光源，因此如果你在它前面再摆一对双缝的话，最终的结果依然是干涉条纹。换句话说，它的量子态被双缝又刷新了。

Credit: Discovery+， Ashley Hamer

所以宇宙是什么样的

1961年，物理学家用电子重复双缝实验——电子明明是“粒子”，有质量、带电荷。

结果？同样出现干涉条纹！后来，人们甚至用原子、分子（如C₆₀富勒烯）做实验，依然如此。

这意味着：所有微观粒子都具有波粒二象性，也就是量子态。而由微观粒子构成的宏观世界，看似是“确定性的”，实际上只是大量随机的量子事件的统计平均。

所以，下一次当你看到阳光穿过树叶的缝隙，不妨想一想：那些光子，是否也在以某种神秘的方式，“同时走过所有路径”，才最终抵达你的眼睛？

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

蝴蝶星云IRAS 04302

Image Credit: NASA, ESA, CSA, Webb; Processing: M. Villenave et al.

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