雙   縫   實   驗

雙縫實驗是著名光學實驗。1807年托馬斯·楊在《自然哲學講義》中第一次描述了雙縫實驗,，操作極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面,，可形成一個點光源,；再在紙后面放另一張紙，不同的是在第二張紙上開了兩道平行的狹縫,；從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上,，就會形成一系列明、暗交替的條紋,。這就是我們所稱的雙縫干涉條紋,。

在量子力學里,，雙縫實驗是一個測試量子（光或電子等粒子）的波動性與粒子性質(zhì)的微觀行為的實驗,。實驗中雖然可以使用不同的儀器，但都會得到類似的結(jié)果,，顯示出物質(zhì)粒子的波粒二象性,。

                  雙縫實驗

 發(fā)現(xiàn)歷史

 雙縫實驗由英國科學家托馬斯·楊最先設(shè)計完成。他1801年做出了雙孔干涉實驗,，首次肯定了光的波動性,。按照楊提出的干涉原理,，能成功解釋牛頓環(huán),，精確測定波長。這個實驗完全可以躋身于物理學史上最經(jīng)典的前五個實驗之列,，但他認為光是在以太媒質(zhì)中傳播的縱波,，這與光的偏振現(xiàn)象產(chǎn)生了矛盾,。

當時，光的微粒說一統(tǒng)天下,，楊寫的論文受盡了權(quán)威們的嘲笑和諷刺,，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”,，有近20年竟然無人問津。楊為了反駁,，專門撰寫了論文卻無處發(fā)表,，只好印成小冊子，據(jù)說發(fā)行后“只賣出了一本”,。

1818年,菲涅耳在巴黎科學院舉行的科學競賽中,，用實驗證實了不可思議的“泊松亮斑”的存在。他以光的干涉說補充了惠更斯原理,，形成惠更斯-菲涅耳原理,。而在1817年時，楊針對波動說與光偏振現(xiàn)象的矛盾,，意思到如果光是橫波或許問題可以得到解決,。他把這一想法寫信告訴阿拉果。阿拉果立即把這一思想轉(zhuǎn)告菲涅耳,，菲領(lǐng)悟到了這一點,，立即用這一假設(shè)解釋偏振現(xiàn)象，證明了光的橫波特性,，從而使光的波動說進入一個新的理論認識時期,。

為了要了解在雙縫實驗里真正發(fā)生了什么，早在1909年,，杰弗里·英格拉姆·泰勒爵士做了一個關(guān)于這方面的雙縫實驗,。他將入射光強度大大減低，設(shè)想在每一單位時間內(nèi)平均只有一粒光子被發(fā)射出來,，每一個光子的波前通過兩條狹縫后會顯示于屏幕的某個位置,，在該位置的概率可以根據(jù)通過兩條狹縫后的兩個概率波的概率幅計算出來。泰勒爵士發(fā)現(xiàn),，顯示于偵測屏幕上的干涉圖案與原本的雙縫實驗圖案相同,，并不是概率幅計算的那個結(jié)果。

雙縫實驗是“原型”的量子力學實驗,。一束電子或光,、或其它微觀粒子通過雙窄縫射到屏幕上,，“粒子-波”的特性能清楚地呈現(xiàn)在出來（光量子稱為“光子”,，光作為粒子亦稱光子）。按照普朗克公式E=hv,，光是以分立的能量子到達屏幕,，這與頻率相關(guān)，屏幕也從不接收到任何“破碎”光子的能量,。

現(xiàn)在再重復(fù)這個實驗：先只開一條縫（另一條堵?。?，光在背景上的衍射被稱作光的波動傳播的一個特征。如果把光看作是粒子,，衍射圖像符合我們的經(jīng)典認識,，因為這可以想象是縫隙邊緣附近的光子因某種影響而偏折到兩邊去。實驗表明,，當相當強的光（亦即大量光子）通過縫隙時,，屏幕上的照度非常均勻；降低光強度,，其亮度分布是單獨的亮斑組合,，—符合粒子形成的圖像，即象是一粒粒光子打到屏幕上,，符合大量光子參與的統(tǒng)計規(guī)律,。考慮光子在通過狹縫時產(chǎn)生隨機地彎折,，屏幕上出現(xiàn)明,、暗交替的條紋分布也可用光的波性來解釋。

然而,，在電子衍射實驗中,，當打開第二條縫隙時就出問題了！這時在屏幕中心附近可以看到干涉條紋的波動形狀,，而不是預(yù)期的將仍然得到有規(guī)則的衍射模式,，不過光強加倍罷了。但事實上,，屏幕上一些最亮處的照度為單縫時的四倍,，而不是二倍；在另外一些最暗處的光強卻為零,，這種強度為零的點給衍射圖像的分析解釋帶來了極大困惑,。這些暗點是一條縫打開時電子樂意射中的地方，為什么在打開另一條縫時光子卻跑走了呢,？它跑到那里去了,？或者難道是打開第二條縫導(dǎo)致電子不能再通過它原來的這條通道？

上述現(xiàn)象似乎表明電子是波動而不像是粒子的行為,。有分析認為,，兩條狹縫分別都可以讓電子通過，在兩條通道同時開放后,，可能會因電磁波相干發(fā)生相互“抵消”,，即兩個電磁波的波峰、波谷出現(xiàn)相位耦合引起電子發(fā)光效應(yīng)消失。但是,，波動畢竟只是某種因素對電子的一種“擾動”,，每一個電子的波動只能是完整的自身波動，要出現(xiàn)電磁波同相干涉,，除非電子有“分身術(shù)”同時通過兩條縫隙來產(chǎn)生自身相干,！

對電子是否在實際上分成兩半并各自穿過不同的條縫隙？大多數(shù)物理學家持否定觀點：既然兩條途徑對電子是開放的,，就不應(yīng)該認為電子為了通過雙縫隙而分成兩半,。

為了觀測電子到底是怎樣通過縫隙，實驗中用高速攝像機對準其中的一條縫隙,，結(jié)果屏幕上的波浪狀干涉花樣競消失了,，出現(xiàn)的是單縫時的兩條徑跡。這種現(xiàn)象被解釋是探測器的擾動所致,，為“量子測量的‘擾動’的爭論”提供了判據(jù),。

單獨電子累積的的雙縫實驗干涉圖案，與一堆電子的雙縫實驗干涉圖案,，兩個干涉圖案是相同的,。所以，我們可以維持一個有秩序的,，一致的宇宙觀,。雖然，對于任何量子尺寸的粒子,，我們必須以物質(zhì)波來看待,。

　                              雙縫實驗結(jié)果圖

雙縫衍射詮釋

美國物理學家費曼曾說：在雙縫衍射現(xiàn)象中“包括了量子力學唯一的奧秘”。他以“量子行為”詳細分析了電子雙縫衍射實驗：如果電子槍發(fā)出一束電子通過兩縫落在后面的屏幕上,，則一方面落點呈現(xiàn)出電子像子彈一樣的顆粒性,，而另一方面，屏幕上的電子分布會呈現(xiàn)出像水波一樣的干涉現(xiàn)象,。但這種認識被電子的真實行為所否定,。

A．在兩條狹縫同時打開的條件下，衍射圖形是在兩條縫分別輪流打開的條件下得到的兩個衍射圖形的迭加（客觀并非如此）,。

所以費曼說,，這種行為極其神秘，你考慮的越多,，就越會感到神秘,。人們曾經(jīng)設(shè)想單個電子以各種復(fù)雜方式繞行通過縫來解釋這種行為，但都不成功,。最后人們才認識到,，導(dǎo)致這一命題A的原因是B。

B．每一個達到屏幕的電子不是通過第一條縫就是通過第二條縫,。

費曼未詳細表述如何從命題B到命題A,，但根據(jù)理解可推導(dǎo)如下：

⑴．如果衍射實驗中同時打開兩條縫讓一束電子通過，則對于一個電子到達屏幕,，電子只會是通過某一條縫．以“e-E”表示一個電子通過第一條縫,、“e-F”表示另一個電子通過第二條縫，則有E∪F=U為必然事件,，E∩F=?為不可能事件,。

⑵．令x表示屏上的一個小區(qū)域，X表示“e落在x上”,，則E∩X意味“e通過第一條縫落在x上”,，而F∩X表示“e通過第二條縫落在x上”。根據(jù)事件運算的布爾代數(shù)規(guī)則,，從⑴可得出

    E∩X∪F∩X=X,，（E∩X）∩（F∩X)=?．            

⑶．根據(jù)概率的頻率定義，由⑵的公式可得

    Pr(X)=Pr(E∩X)+Pr(F∩X）．

⑷．根據(jù)概率的乘法公式,，有

    Pr(E∩X)=Pr(E)Pr(X|E）和Pr(F∩X)=Pr(F)Pr(X|F）．

再由⑶有

   Pr(X)=Pr(E)Pr(X|E)+Pr(F)Pr(X|F）．

如果只打開第一條縫,，事件“e落在x上”的概率為Pr(X|E），同樣只打開第二條縫,，該事件的概率為Pr(X|F）．而當兩條縫都打開時,，該事件的概率為Pr(X）。按照全概率公式,，Pr(X）是Pr(X|E）和Pr(X|F）按照Pr(E）與Pr(F）的比例相加,。這里Pr(E)=Pr(F)=1/2，Pr(X）是Pr(X|E）和Pr(X|F）的算術(shù)平均值,?？紤]到x是屏幕上的任意區(qū)域，由此立刻得出命題A,。但雙縫衍射實驗否定了這一結(jié)論,，即費曼得出必須放棄命題B的結(jié)論。

如果電子的運動是軌道運動,，則命題B肯定成立,。費曼實際上斷言“電子的運動不是軌道運動”，這正是哥本哈根詮釋的基本觀點,。

為了擺脫命題A與實驗事實之間的矛盾,，還有人得出了其它的量子力學詮釋。例如有人認為,，命題演算中的“分配律”,、即（E∪F）∩X=E∩X+F∩X在這里不再適用，雖然⑴成立，但由⑴得不到⑵,，也就得不到命題A,。建立在這種看法上的量子力學詮釋稱為“非分配邏輯詮釋”（屬于“量子邏輯詮釋”的一種）?！案绫竟忈尅弊匪莸浇?jīng)典概念,，“非分配邏輯詮釋”追溯到經(jīng)典邏輯，最終二者都確認全概率公式不適用于微觀過程,。

還有一種詮釋是以否定概率論本身為出發(fā)點：法國物理學家吉·洛查克繼承了德布羅意的觀點,，認為概率論僅適用于“隱變量”，隱變因素導(dǎo)致它不適用于計算測量結(jié)果的平均值,。因而洛查克確認⑴,、⑵成立，否定⑶,。但由此也得不到命題A,。

以建立“量子概率詮釋”著稱的L·阿卡迪提出如下論點：根據(jù)概率的頻率定義，⑴,、⑵,、⑶式適用于任何過程，但⑷的乘法公式不適用微觀過程,，因此還是得不到命題A,。他斷言：“量子力學中的一切佯謬都是由于不適當應(yīng)用貝葉斯公理（概率的乘法公式）理引起的?！?/span>

                                雙縫實驗示意圖

人們以為用“量子概率詮釋”是天經(jīng)地義的推導(dǎo),，而結(jié)果表明它并不適用于微觀過程。對于究竟是哪一個前提不適用于微觀過程,，至今仍是一個詭異的難題,。

不論是電子、質(zhì)子,，或是任何其它可以被視為屬于量子尺寸的粒子,，在雙縫實驗里，粒子抵達偵測屏障的位置分布,，是具有高度決定性的,。我們可以用量子力學精確地計算與預(yù)測粒子抵達屏障的位置的概率?？墒?，無法預(yù)側(cè)，在什么時刻,，在屏幕的什么位置,，會有一個粒子抵達,。這么一個無可爭議的、經(jīng)過多次重復(fù)實驗所得到的結(jié)果,，它給予了科學家極大的困惑,。粒子抵達順序的無法預(yù)測，意味著沒有任何原由而發(fā)生的事件,，但這是科學家非常不愿意接受的事實,。

科學家們試圖設(shè)計更多的變量來解決這一困難,。 當電子一堆一堆地對著偵測屏障發(fā)射,，人們可以很容易地解釋所產(chǎn)生的干涉圖案，因為人們只要認定這些電子互相地干涉就可以了,?？墒牵斂萍歼M步了,，現(xiàn)在有了可靠地發(fā)射單獨電子的科學器材,，應(yīng)用這單獨電子發(fā)射器做雙縫實驗，所得到的干涉圖案使人們覺得好像電子有獨自干涉自己的可能,，這意味著單獨電子可以同時通過兩條狹縫,。

然而，量子粒子能夠同時出現(xiàn)于兩個以上的地方,，此與經(jīng)典理解發(fā)生沖突,。因此，最簡單方法就是接受物質(zhì)波的概念,，承認量子物質(zhì)的存在與行為是無法用經(jīng)典方法來詮釋的,。

既然單獨電子累積的的雙縫實驗干涉圖案與一堆電子的雙縫實驗干涉圖案是相同的，那么我們可以維持一個有秩序的,、一致的宇宙觀,。我們必須以物質(zhì)波來看待任何量子尺寸的粒子。

 近年來的科學研究進一步地發(fā)現(xiàn),，干涉現(xiàn)象并不只限制于像質(zhì)子,、中子、電子等這些基本粒子,，某些大分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)粒子也能夠產(chǎn)生雙縫實驗干涉圖案,，例如像富勒烯(C60)。