【浅谈量子力学】之杨氏双缝实验

经典的杨氏双缝实验（英国物理学家托马斯.杨Thomas Young，1773—1829）

关於光的本性，历史上有过很长时间的争论。

以牛顿为首的一派认为光由质量很小的微粒组成，这些微粒服从牛顿三定律。简称微粒说。利用微粒说轻而易举地解析了常见的光的反射定律与折射折射定律。

以惠更斯为首的一派认为光就是波动，与常见的水波，声波类似，利用波动说也能解析光的反射及折射。当光从空气进入介质（例如水）时要满足折射定律（入射角大於折射角）。根据微粒说，光在水中速度应该大於光在空气中的速度；但是波动说却认为光在水中的速度要小於光在空气中的速度（波动方程）。由於光速实在太大，当时没办法测量出来，因此两种学说都有支持者，各说各的理，无法说服对方。鉴於牛顿名气实在太大，也由於牛顿的支持者大多是知名学者，对比之下惠更斯是个“官二代”，科学研究仅仅是他业余生活的一部分，支持者中专业人士不多，因此在整个17世纪的争论中，微粒说明显占了上风。

双缝实验最先是由英国科学家托马斯·杨设计与研究成功的。1801年，为了了解光到底是粒子还是波动，他设计了杨氏双缝实验。上图是实验的示意图。光源在上边的狭缝处发出光波，同时到达中间两个狭缝，根据惠更斯原理，这两个都可以看成波源，它们发射出子波，在空间两子波相遇处振幅叠加，到达屏幕F处显示出来的是光强。由於光强与振幅平方程正比，因此在屏幕F上能看到明暗相间的条文，这些条文称为干涉条纹。

按波动学说，入射光的光强只影响干涉条纹的亮度，与条文的形状无关。也就是说你减弱光强，右边仍然显示出干涉条纹，只是强度减弱，有可能你看不见。设想用微粒说来解析双缝实验，相当於把图中上边的光源换成“机关枪”，左右摇摆等机率地左右扫射，在下边的屏幕上开始我们看到的是一个一个“亮点”，最后看到的是两条“亮条纹”，不可能看到明暗相间的干涉条纹。正是这个原因，杨氏实验后大多数科学家都接受了波动说。后来有人用实验证实了光在空气中的传播速度大於光在水中的传播速度，这个判定性实验公布后，再也没有人信微粒说了。1905年爱因斯坦提出光量子假设后，尽管爱因斯坦利用光量子假说成功地解析了光电效应，但是如何用光量子说解析杨氏双缝实验？这个难题仍然没有解决。也许有人会提出，你减弱入射光子的流量，用波动语言就是减弱光强如果光真的由光量子组成，那麼在屏幕上开始时就应该看到一点一点的亮斑，，到后来光子的个数增加才可能出现干涉条纹。这个想法很好，可以实现起来，谈何容易！一个普通的60w灯泡一秒钟大约放出10^20个光子（10的20次方个光子）要制作一个能放出单个光子的光源，难！

为了解答这问题，1909 年， 杰弗里·泰勒爵士做了一个很精致的双缝实验。实验将入射的光波强度大大减低，使得单位时间内平均只有一粒光子被发射出来。在荧光屏上，光子一闪一闪地打在荧光屏上，开始阶段并没有呈现什麼规律，但是到了后来打在荧光屏上光子的数量足够多时，仍然呈现出干涉条纹的样子。1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）用电子来做双缝实验，他发现电子也会有干涉现象。1974年，皮尔·梅利（Pier Merli) ，在米兰大学的物理实验室里，成功的将电子一粒一粒的发射出来。在荧光屏上，人们看到的是一个一个亮斑，当这些亮斑积累到足够程度时，干涉条纹的外形逐渐显露出来。2002年9月，克劳斯约恩松的双缝实验，被《PhysicsWorld》杂志的读者，选为最美丽的物理实验。

用子弹做双缝实验最大特点是一闪一闪地发亮，设想你做10000此实验，先挡住左边的狭缝(a)连续射击5000次，再挡住右边的狭缝(b)，也射击相同次数，你会发现屏幕上显示的图样与两条狭缝同时开通，射击10000次的结果一样。子弹是宏观粒子，当子弹到达双缝跟前，只能从其中一条缝通过。即a或非a两者必居其一。正如前文提到过的：老王在不在家？这件事，只能在与不在两个状态中的一个，不可能既在有不在。因为老王不会分身术。用水波做双缝实验，可以看到干涉图样，但是你看不到“一闪一闪发亮”这种特徵。你按住狭缝a让波通过，再按住狭缝b让波通过，这两个图样的叠加与同时打开两个狭缝得到的图样不一样，这个性质，经典波动学说称为博得相干性。现在在用电子或莨子做双缝实验，问题就出来了。荧光屏上确实看到一闪一闪发亮，说明电子或莨子确实是一个一个通过狭缝的，这个事实说明微观粒子具有粒子性。当到达荧光屏上的例子数目足够多时，屏上现象出明暗相间的干涉条纹，这是波动性的特徵。对此大家都没太多意见，问题在於这些微观粒子是如何通过双缝的？设想莨子跑到双缝前，她当然可以像老王那样选择“从缝a（或b）”通过，除此之外是否还有别的选择？例如同时从a,b两缝通过？如果可能，是否意味著莨子有分身绝技？无论能与不能，请大家说出个道理。奇闻呀 www.qiwENyA.CoM

这个问题不好回答，原因在於微观粒子具有波粒二象性，即既具有波动性又具有粒子性，但既不是经典的波动，也不是经典的粒子。

经典物理是这样解析杨氏双缝实验的，光到达双缝前，两个缝“分波前”，各自截取一部分，这部分成为新的波源，通过双缝后这两部分光满足相干条件，在屏幕上当然干涉。如果到达双缝前的光子数目十分多，你可以认为一半通过缝A，另一半通过缝B，要解析双缝实验也不困难。但是现在只有一个光子到达双缝前，如果还认为能“对半分”的话，相当於一个光子还可以再分，破坏了光子的整体性，等於不承认光子是粒子，因此这种解析不成立。如果认为光子只能从其中一个缝通过，一个粒子从A通过，另一个从B通过，这种说法倒是与粒子性不矛盾，但是通过双缝后的两束粒子流不再产生干涉，在屏幕上不会形成干涉条纹，与微观粒子具有波动性的特点矛盾。也与实验不符合。要与实验符合，必须承认微观粒子可以处在“既在A同时也在B”这种状态，通俗地说就是承认莨子有分身术。我们用ψ(A)表示莨子从狭缝a通过，用ψ(B)表示从狭缝B通过。承认莨子既在A同时也在B等於承认Ψ=aψ(A)+bψ(B) （1）也可以描述莨子的状态。（1）是表示的状态正是前面我们提到的叠加态。也就是说我们承认状态叠加原理，等价於承认微观粒子可以处在“既在A同时又在B”的叠加态。

我自己认为，上面说法基本上与当时哥本哈根学派的说法一致，至於是否真正一致？请大家提出。坦白说，关於量子纠缠，我还处在初学阶段，很多问题我也不会，发这个文章，无非是谈点学习体会，希望能达到互相交流的目的。