79 历史上最烧脑的实验：双缝干涉实验

光，到底是波还是粒子？爱因斯坦论证了光在光电效应的实验中必须被解释为粒子。但证明光是波的实验也有很多，其中双缝干涉实验是最著名的一个。

双缝干涉实验的设置是这样的：有一个光源，前面用一块板遮挡，板上面有两条缝，板的另一侧有堵墙。调节双缝之间的距离以及板与墙之间的距离，能看到墙上印出光的形状是明暗相间的条纹。

这说明，光在双缝干涉实验情况下体现出了波动性。因为，如果光是粒子的话，光子必然走直线，如此一来，应该只能在墙上看到两条明亮条纹。而用光的波动性便可以解释明暗相间条纹的现象：在墙上，不同位置的点到两条缝之间的距离不同，当这个距离差是光波波长的整数倍时，两条光波永远是波峰和波谷同时到达，会产生干涉相长的明亮条纹。而当距离差是光波半波长的奇数倍时，两条光波永远是反相位的，波峰一定遇到波谷，如此便会产生干涉相消的暗条纹。

现在，我们不用光来做这个实验，而是用电子来代替光做双缝干涉实验。根据波粒二象性的描述，电子也可以展现出物质波的特性。同样地，我们会获得电子的干涉条纹。但接下来要做的事情就比较神奇了。

我们安排电子一个个发射，看看最终所有电子都打到墙上会出现什么现象。结果实验做出来是，电子在墙上的分布依然形成了明暗条纹。也就是即便一个个地发射电子，每个电子在经过双缝的过程中，依然展现出了它们物质波的特性。现在我们想了解一件事，电子在经过双缝的时候，具体走的是哪一条缝呢？我们用一个探测器放在双缝前，看看电子到底进入了哪条缝。但奇怪的是，只要我们明确了电子具体经过了哪条缝，明暗相间的条纹居然消失了，只剩下两个区域有电子，刚好对应电子作为一个粒子走直线的情况。这个电子似乎知道我们在看它，一看它，它就变成粒子了。

再换一种情况，我们的探测器不放在双缝前，而在双缝之后。放在双缝后面探测的话，电子已经经过双缝了，我们并未在它经过双缝前探测它，那它就应该已经体现出波动性了吧？但干涉条纹居然又消失了。电子在经过双缝之后应该已经是波了，为什么之后探测它又变成粒子了？电子还能反悔？

这里的关键就是我们之前提到的“哥本哈根诠释”。哥本哈根诠释，说的是一个量子系统，可以同时处在不同状态的叠加态。测量只能随机获得其中一个状态，并且根据测量方法的不同，获得的结果也不一样。这可以很好地解释“波粒二象性”，其实这是个比较过时的说法，它不过是在没有量子力学的时候，对波函数的一种粗略描述。波粒二象性说微观粒子既是波又是粒子，这是不准确的，应该是微观粒子在不同探测方法下表现出不同的性质。不同探测方法导致波函数坍缩到不同状态，波或粒子其实都是人类概念中假想出来的理想模型。理想的粒子是什么？是一个没有大小只有质量的质点。理想的波是什么？是波长固定、长度无限长的波动。但这两样理想的东西在现实世界中是不存在的。这些微观粒子，它既不是波，也不是粒子，而是在不同的测量方式下，有时候表现出粒子的性质，有时候表现出波动的性质。

如此，双缝干涉实验就很好解释了。双缝干涉实验本身就是一种测量：用两条缝去跟微观粒子相互作用，它测量的其实就是微观粒子的波动性，所以双缝干涉实验会有干涉条纹，无可厚非。用探测器去探测粒子，是对粒子性的测量。不是微观粒子会发现你在看它，而是你为了看到它，必须跟它相互作用。一个电子或光子，从你眼前水平飞过，你能看得到它吗？你看不到，探测器也探测不到，要让探测器探测到，得让电子或光子跑到机器里，它如果只是水平飞过去，没有进入探测器，你根本意识不到它的存在。为了探测到它，必须发射一个光子去跟它相互作用，能探测到的永远只是相互作用，没有相互作用就不存在探测。但一探测就等于测量了粒子的状态，而用探测器去测量的方式是针对粒子性的测量，于是它当然表现出粒子性，波动性没了，干涉条纹也消失了。把探测器放到双缝之后也是一样的，只要用探测器进行了探测，即便它之前先经过了双缝，已经体现出了波动性，这时再测量跟它相互作用，它就又体现出粒子性了。

量子力学给我们的启示是：在微观世界，永远不能说一个量子系统是什么，而只能说这个量子系统在何种测量下表现出了何种性质。