有人不断的在网上嚷嚷，双缝干涉实验的结果让科学家感到恐怖。这种说法实在有些夸张和故弄玄虚，双缝实验反映出来的现象，实际上涉及了量子力学里面最基本的问题，成为量子力学立论之本。量子力学的许多重要理论都是由这个实验引发出来的，如不确定性原理、量子纠缠、平行宇宙、薛定谔的猫、波函数坍塌等等。

但这一切都源于科学家们几百年来孜孜以求探索“光”的奥秘，从而引领人们看到了一个不同的世界，催化出再次改变世界的量子力学。这个过程漫长而卓绝，今天我们就一起来捋一捋，双缝干涉实验证明了什么结果，看看能从中得到什么启示。

伽利略启动了对光的研究

我们谁都知道，光给世界带来光明，没有光，就看不到一切，也就没有我们的世界。但自古以来，人们对光并没有引起重视，因为光从来就有，是一种永远存在自生自灭的玩意，这种不需吹灰之力就得到的东西，根本不会引起注意。一直到现代实验科学的祖师爷伽利略开始对光速产生了好奇心，并展开了对光速的测量，光的某些性质才开始引起了人们的重视。

伽利略的测量方法很原始，他和徒弟分别站在相距1英里的两个山头，各拿着一个灯笼，用秒表计算各自举灯的间隔时间。他试图这种简陋的方式，测量出每秒30万千米的光速，当然是徒劳的，无功而返。但他坚定的认为光是具有速度的，只不过极快而已。

伽利略虽然没有的到光速值，但启动了世人对光速的好奇心，一代代科学家不断改进测量光速的方法，终于在上世纪八十年代，最终确定了精准的光速值，即光速c=299792458m/s（米/秒）。人们从光速测量开始，不但对光速开始感兴趣，而且对光的性质也开始了探索。

关于光到底是什么的探索

最早对光的性质提出假设的是法国哲学家、数学家、科学家勒内·笛卡尔，他在1637年发表的《正确思维和发现科学真理的方法论》（简称方法论）一书中，提出了光的两种假设，一种认为光是类似于微粒的一种物质，另一种认为光是一种以“以太”为媒介的压力。他没有明确说光是一种波，却为未来光的粒子说和波动说之争埋下了伏笔。

1655年，意大利波伦亚大学数学教授格里马第发现了光的衍射现象，由此推想光可能是与水波类似的流体。他通过小孔成像实验，进一步得出了光是一种能够以波浪式运动的流体。事实上他已经通过两个小孔实验得到了光的干涉条纹，但并没有认识到这是光的双缝干涉现象，只认为是光的波动，可以认为，他是光的波动说最早倡导者。

1663年，英国科学家波义耳发现了颜色不是物体本身的性质，而是光照射的效果，他首次记载了光照射肥皂泡和玻璃球留下的彩色条纹，进一步支持了格里马第的说法；不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假设，认为光的颜色是由其频率决定的。

1672年，牛顿发表了《关于光和色的新理论》论文，描述了他做的光色散试验：他把太阳光通过一个孔照射到暗室里的棱镜上，在对面墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为复合的白光就像不同颜色的微粒混合在一起，通过棱镜的分解把这些微粒分开。由此他建立了光的微粒说，认为光是由不同颜色的微粒组成。

光的波动说和粒子说之争

波义耳、胡克等发现了光的颜色，似乎成为引发光的波动说和粒子说之争的导火索，从此这个争论进行了200年。

1672年，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会，对牛顿提交的《关于光和色的新理论》论文予以了否定。而这个委员会的主席就是胡克，这激起了牛顿的争论之心，他开始并没有完全否定波动说，也并不偏执于粒子说，但从此开始了对波动说的反驳。

1675年牛顿在《说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说》文章中，再次重申了他微粒说，对胡克的波动说进行了反驳。但此时两方面都还没有形成完整的理论，论战并没有完全展开。

后来，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯加入了争论。惠更斯在担任巴黎科学院院士期间，曾到英国旅行并与牛顿会见，他们交流了对光本质的看法，两位大师彼此欣赏。但惠更斯回到巴黎后，重复并研究了牛顿的光学实验，也仔细研究了格里马第实验，认为其中有许多现象都是微粒说无法解释的，因此他最终支持了胡克的波动说，由此与牛顿产生了分歧。

1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了《光轮》的论著，系统的阐述了光的波动理论，成为波动说完整理论的提出者。同年，他发表了反对微粒说的演讲。他认为，光是一种机械波，光波是依靠物质载体传播的纵向波，传播媒介就是“以太”。他根据这一理论，证明了光的反射定律、折射定律，并且较完美的揭示了光的衍射、双折射现象，还有著名的“牛顿环”实验。

1990年，惠更斯的《光论》正式出版，惠更斯对波动说的宣传一直没有停止，他说，如果光是由粒子组成，在传播过程中就会相互碰撞，一定会导致光的传播方向改变，事实并没有这样。而牛顿进行了针锋相对的反驳，他提出了两个论点：一是光如果是波，就会同声波一样绕过障碍物，不会产生影子；二是波动说无法解释冰洲石的双折射现象。另外牛顿还把物质的微粒观推广到整个自然界，并与自己的质点力学体系融为一体，强化了微粒说的地位。

牛顿在反驳波动说过程中，也逐步建立起完整的微粒说，这些观点，集中体现在了他的光学著作《光学》中，这部著作在1704年出版，此时惠更斯和胡克都已经去世，波动说无人应战，牛顿从此成了一家独大。随着他威望地位不断提升，人们开始对他只有膜拜仰视，坚信他的结论而不敢质疑，由此牛顿微粒说在整个18世纪占有绝对统治地位。

光电效应的发现让人们对光的性质认识发生突破

牛顿无以伦比的学术地位，让他创立的粒子理论在一百多年里无人敢于挑战，惠更斯、胡克等的波动理论渐渐被淡忘。这种状态一直延续到十九世纪初期，英国医生、物理学家托马斯·杨的双缝实验，像一颗石子掉进平静的水面，让被忘却的波动说又泛起了涟漪。

托马斯是个奇人，涉猎广泛，在力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、考古学等方面都有很高造诣，而且还很会享受生活，对艺术、美术都有浓厚兴趣，能够演奏所有乐器，还擅长骑马，能够杂耍走钢丝。

托马斯的双缝实验，从光源传播出来相干光速，照射在一块刻有两条狭缝的不透明挡板，在挡板的后面摆放着摄影胶片或某种侦测屏，得到的是黑白相间的条纹，显示出的是光束干涉图样，符合衍射光波遵循的叠加原理，是牛顿光微粒说无法解释的一种波动行为，确切的证实了光的波动性。

但托马斯的这些实验看似石破天惊，但并没有引起物理学界的足够重视，也没有彻底解决微粒说与波动说的矛盾和争论。这时候电磁学已经风生水起，涅菲尔、麦克斯韦、赫兹等一批光学、电磁学大佬横空出世，担当起了理论突破的重任。

奥古斯汀·让·涅菲尔用新的定量形式建立了惠更斯--菲涅尔原理，完善了光的衍射理论；詹姆斯·麦克斯韦预言了电磁波的存在，提出麦克斯韦方程组，并计算出电磁波波速等于光速，由此提出了光波就是电磁波的猜想；赫兹则实实在在的发现证明了电磁波的存在，并通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并提出了光电效应。

人类对光的认识越来越接近本质，人们通过对光电研究，量子理论已经呼之欲出了！

爱因斯坦石破天惊，确立了光的波粒二象性

爱因斯坦相对论已经是现代物理学的最重要基石，让人们津津乐道，但很多人并不知道他还有一个重大贡献，就是“光电效应定律”的发现，这个理论在他的论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》中阐述出来，由此他获得了1921年诺贝尔物理学奖。

这篇发表于1905年的论文，提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。几百年争论各执一词，原来都对都不对，原来光既有粒子性又有波动性，早知道把这两种理论合在一起不就皆大欢喜了。

事情当然没有那么简单，并不是爱因斯坦捡了便宜，而是他在前人实验基础上，通过严密的数理逻辑，论证了光量子的运动规律，提出了“爱因斯坦光电效应方程”，证明了光子能量等于频率乘以普朗克常数，提出光子的动量与波长的关系式p=h/λ。

在此基础上，他很快创立了更加石破天惊的狭义相对论。

1924年，德布罗意提出了“物质波”的假设，认为一切物质都具有光一样的波粒二象性性质，因此电子也会具有干涉和衍射等波动现象。他把爱因斯坦的光子动量与波长关系式推广到一切微观粒子，认为具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克常量h跟粒子动量mv的比，即λ= h/（mv）。后来的电子衍射实验证实了他的猜测。

至此，一切越来越明朗，但随之诡异出现了

既然光子和一切微观粒子具有波粒二象性，那么所谓的双缝实验又被人们捡了起来，开始了更加细密的观测，随着观测手段的不断提升，一系列诡异现象出现了。由此得到的各种实验得到的结果是：

1、干涉现象并不限于光子、电子、质子、中子等基本粒子，任何粒子，都会产生干涉现象，甚至一些大分子结构，如富勒烯也会产生类似干涉现象。

2、单独发射的单个电子也会产生干涉现象，表明单独电子似乎可以同时刻通过两条狭缝，并且自己与自己干涉。

3、用探测仪器观测光子从哪一条缝经过，获得光子路径信息，会导致干涉消失，光子不再呈现出波的状态，而是以粒子形态留在背景屏。

4、量子擦除和延时实验结论是，探测光子路径信息会消除背景屏的干涉光栅，如果擦除路径信息，干涉光栅又会恢复。

5、两个相互纠缠的光子远距离分开后，观测A光子的路径信息，会即时影响B光子的行为，干涉图样消失；同理，观测B也会影响到A。

这种双缝实验的观测一直研究了整整一个世纪，催生出量子力学的哥本哈根诠释，又引起了近一个世纪的争论。这次争论是量子力学创始人爱因斯坦、薛定谔等，与同样是量子力学大师的波尔、海森堡、玻恩、海森伯、泡利等哥本哈根派之争。

哥本哈根诠释和薛定谔的猫

哥本哈根诠释就是波尔、海森堡等在哥本哈根大学创立的学派，对量子微观世界一些诡异现象的一些解释，这些解释包括量子波粒二象性、不确定性原理、波函数描述原理等。就是量子总是表现出波和粒子的两种状态的叠加态，人类无法同时知道微观粒子的动量和位置，测量动作会导致叠加态波函数坍塌，原本的量子叠加态态会概率地坍缩成允许测量的某种量子态。

这些理论我们都可以从上述双缝实验结果中窥视一斑，是微观世界真实诡异般存在的现象，似乎哥本哈根诠释并没有错。但爱因斯坦和薛定谔同样是量子力学大师，却表现出不同的看法。他们认为这个诠释只是量子世界一些表面现象，因此量子理论是不完备的，这个里面应该含有我们没有发现的规律机制，也就是所谓“完备局域隐变量”，只要找到这个就能够掌握量子运动规律。

薛定谔为了批驳哥本哈根诠释的不确定性原理和波函数坍塌理论，弄了个“猫”思维实验，就是著名的“薛定谔的猫”。这个实验是假设一只被关在密闭盒子里的猫，随时可能被释放出来毒要杀死。一种放射性元素控制着一个开关，只要这个放射性元素衰变就会触发开关，释放毒药将猫杀死。放射性元素衰变是随机的，谁也不知道它什么时候衰变，因此在没有打开盒子前，谁也不知道这只猫的生死，只有打开盒子那一瞬间，人们才可以看到这只猫是生是死。

这下就好玩了。薛定谔代表的经典可控派认为，猫的生死早就在没有打开盒子前就决定了，打开盒子只是知道了猫是生是死，并不是决定了它的生死；哥本哈根派则认为，没有打开盒子前，猫永远处于生和死的叠加态，可能生也可能死，是打开盒子观测才决定了它最终的生死，也就是叠加态坍缩成本征态。

最终，这个争论以贝尔不等式实验证明了所谓“完备局域隐变量理论”不存在，哥本哈根诠释胜出，从此被科学界主流奉为正统理论。“薛定谔的猫”是薛定谔想用这样一个思想实验，把微观世界不确定性原理变成宏观世界不确定性原理，在宏观世界，这只“猫”当然是违背逻辑的，但微观世界的确有其特殊规律，量子力学正是揭示了这些特殊规律，才使人类对世界的认识有了颠覆性突破。

结语

综上所述，双缝干涉实验在量子力学的发展过程中，起着重要关键的纽带联系作用。这让我想起了古希腊哲学家、数学家、物理学家阿基米德一句话：给我一个支点，我就能够撬动地球。几千年过去了，人类并没有找到这个支点。但双缝实验特别像给了量子力学一个支点，让人类发现了完全不一样的世界。

所以，双缝实验并不恐怖，只有窥探世界最隐秘深处谜底的窃喜，大自然最深处的秘密每发现一点，就能够为人类带来更多的幸福。量子力学的研究还仅仅是起步，还有许多需要深入探索的谜底，那么这个世界到底是爱因斯坦说的“上帝不会掷骰子”，还是波尔、海森堡等描述的“上帝真的在掷骰子”呢？要知道谜底，还需耐心拭目以待。

标签：  实验  波动  没有  理论  粒子