為什么當(dāng)年雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)讓科學(xué)家感到恐怖？

如果說宇宙不是完美的，它有BUG（漏洞），你信么？雙縫干涉實(shí)驗(yàn)似乎一步步地發(fā)現(xiàn)了這個宇宙“漏洞"

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是什么？

當(dāng)我們在水中丟下一塊石頭，那么水面就會產(chǎn)生波紋，如果同時(shí)丟下兩塊石頭，兩個水波之間就能夠出現(xiàn)交叉的干涉條紋。這就是波能夠互相干涉的特征。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)既在一個光源前放置一個開了兩條縫隙的不透明擋板，擋板后面再放置一個能夠觀測到的背景。當(dāng)我們打開光源，會看到背景上出現(xiàn)明暗相間的條紋，這就是簡單的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。 這個實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波！ 因?yàn)楣庠诖┻^兩條縫隙后產(chǎn)生只有波特有的干涉，相反的波被抵消，相向的波被增強(qiáng)，導(dǎo)致背景上明暗相間的條紋。（日常生活中主動降噪耳機(jī)就是利用了這個原理，用相反的聲波抵消了噪音）

下面我們把實(shí)驗(yàn)升級一下，光源變得非常小，背景換成高靈敏高分辨的底片。打開光源后，一開始我們看到了無數(shù)隨機(jī)分布的小點(diǎn)，隨后這些小點(diǎn)越來越多最終形成明暗相間的條紋！實(shí)驗(yàn)升級后證明光是一種粒子并且還具備波的特征 ， 也就是光的 波粒二象性 ！

雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)

雖然雙縫干涉實(shí)驗(yàn)已經(jīng)讓人贊不絕口，不過科學(xué)家們還是在這個實(shí)驗(yàn)上再次升級。將光源變成一次發(fā)射一粒的電子！電子要通過這塊擋板只能隨機(jī)通過兩條縫隙。

我們知道，要干涉就必須有對象，沒有對象怎么被干涉？然而這一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果出事了，即便單個電子在隨機(jī)穿過兩條縫隙后依然在最后形成了干涉條紋。

這個結(jié)果震驚了科學(xué)界！為什么單個電子能夠自我干涉？難道他還有一個分身？更詭異的是當(dāng)我們觀察電子是通過哪一條縫隙時(shí)，干涉條紋消失了。當(dāng)取消觀察時(shí)，干涉條紋又神奇的出現(xiàn)了！冥冥中仿佛有一雙眼睛窺視著我們，只能讓我們看到電子穿越縫隙的路徑（粒子特征）或者電子的干涉條紋（波特征）其中之一！

雙縫干涉之延遲選擇量子擦除

看到這里，你也許認(rèn)為上面的實(shí)驗(yàn)會有很多未知的漏洞，我們觀察電子時(shí)已經(jīng)打擾了電子的正常運(yùn)動導(dǎo)致電子屬性改變，只是我們沒有辦法找出這個因素。接下來科學(xué)家用更加復(fù)雜精密的方法來做雙縫實(shí)驗(yàn)。將一個光子分離成一對糾纏的光子A和B（糾纏的量子能夠無視距離影響對方）

AB分別做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（互不影響的環(huán)境），而B距離感應(yīng)屏比A遠(yuǎn)，這樣 A會比B要先到達(dá)感應(yīng)屏 。當(dāng)我們在B實(shí)驗(yàn)中放置相機(jī)觀測到B通過雙縫的路徑時(shí)，A實(shí)驗(yàn)的干涉圖像消失，顯然，糾纏的兩個光子是互相影響了，B得不到的波屬性A也得不到。接下來，我們通過技術(shù)手段把B獲得的路徑信息擦除,然后A和B都出現(xiàn)了干涉條紋。這里就出現(xiàn)了兩個個非常詭異的現(xiàn)象。 測量到光子的路徑信息只是"泄露”，沒有主管觀意識去查看，干涉條紋會消失！把這個路徑信息擦除掉，干涉條紋又會出現(xiàn)！

更詭異的是，實(shí)驗(yàn)中我們設(shè)定從B獲得路徑信息時(shí)，A早就已經(jīng)到達(dá)了感應(yīng)屏形成了圖像！這時(shí)候擦除B的路徑信息，A感應(yīng)屏已經(jīng)"拍好照"的圖像會鬼魅般地變成干涉條紋！

讓人難以理解的“宇宙程序”

很多人一開始認(rèn)為，觀察光子路徑就是人類意識干預(yù)了實(shí)驗(yàn)。不過我們從最后一個實(shí)驗(yàn)得知，在延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，測量到的路徑信息，你看與不看，宇宙程序它已經(jīng)認(rèn)定了你泄露了天機(jī)！光子波動屬性就被隱藏了！我們得不到干涉圖像。如果我們把這個泄露的天機(jī)抹除掉，宇宙程序馬上修復(fù)了光子的波動性，讓我們得到了干涉圖像。沒想到的是，我們?nèi)祟愒趯?shí)驗(yàn)室上利用量子糾纏鉆了個空子，讓圖像形成之后再得到路徑信息。接著我們再去選擇是泄露還是擦除，宇宙程序任然按照原來的指令執(zhí)行了。讓已經(jīng)形成的圖像變了回去（曾經(jīng)不干涉的光子，在曾經(jīng)又干涉了。這話很繞）？這是不是意味著我們找到了一個宇宙程序的BUG，用現(xiàn)在的決定，改變了過去！還是另有其他原因？我們生存的宇宙，這個看不到邊無比真實(shí)的世界，難道是一個設(shè)定好的“程序”？或者說宇宙這個看似無比完美運(yùn)行的世界其實(shí)還有一些漏洞。如果人類將來利用這些漏洞未來的世界會發(fā)展成什么樣子？

很多人聽過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)后會認(rèn)為“玄之又玄”，于是有了“遇事不決量子力學(xué)”。實(shí)際上，量子力學(xué)是人類了解宇宙底層邏輯的敲門磚，而雙縫干涉實(shí)驗(yàn)則是量子力學(xué)核心的顯現(xiàn)，下面我聊聊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)到底多“詭異”，它揭示了宇宙哪些核心？

薛定諤的貓、上帝擲骰子、平行宇宙哪來的？

由于量子太過抽象，因此我們把量子現(xiàn)象過渡薛定諤的貓，再回到雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就容易理解了。這是薛定諤給我們理解量子力學(xué)的好例子。

話說啊，有個封閉的盒子里面裝一只貓，然后一個量子裝置連著毒藥瓶，貓的生死取決于量子性質(zhì)，如果量子發(fā)生衰變貓死，反之則沒事。換句話說，貓的生死間接表現(xiàn)了量子的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)的問題是貓最后是死的，還是活的？

各路大佬都說出了自己的看法，主流看法有三個：

哥本哈根學(xué)派，波爾：這是只 量子貓，它在盒子里的概率是100%的可能性是活的，同時(shí)100%可能性是死的，兩種狀態(tài)同時(shí)存在，疊加在一起，當(dāng)你打開盒子一瞬間，貓的生死才會表現(xiàn)出來，生死的結(jié)果是隨機(jī)的。

愛因斯坦、薛定諤：貓50%是死的，50%是活的，我們打開盒子之前它就已經(jīng)死了，或者還活著，我們打開盒子看到的是結(jié)果，而不是誘發(fā)結(jié)果。

愛因斯坦：波爾，按你的意思是打開盒子時(shí)，上帝發(fā)現(xiàn)有人要來看結(jié)果了，趕緊搖號決定了貓的生死？

波爾：你別管上帝能干什么！

休·埃弗雷特：安靜安靜，我還沒說呢！首先波爾的疊加態(tài)我是認(rèn)同的，但是100%+100%=200%，打開盒子前與打開盒子后應(yīng)該守恒才對，因此我認(rèn)為如果打開盒子時(shí)貓死了，那么活著的貓應(yīng)該存在于另外一個世界中——平行宇宙。

愛因斯坦、薛定諤、波爾：你厲害， 我們竟然不知道如何證明你說的是錯的！

故事先到這里，看得懂看不懂沒關(guān)系，先說結(jié)果：波爾是對的！而平行宇宙證明不了，最多算假說。在這個故事中有幾點(diǎn)很重要：

1. 貓即死又活的狀態(tài)——疊加態(tài)

2.打開盒子意味著觀測， 觀測會讓疊加態(tài)隨機(jī)坍縮為單一狀態(tài) 。（上帝搖號！）

3.前兩點(diǎn)， 打開前與打開后，還隱含了波粒二象性。 （下面再說）

光到底是什么？——雙縫干涉的“詭異”

接下來我們看雙縫干涉，這事要先從牛頓說起，源于一個看似簡單，然而誰都答不上來的問題——光是什么東西？

圖：牛頓三棱鏡實(shí)驗(yàn)

牛頓作為當(dāng)代學(xué)霸，為光學(xué)做出了不少貢獻(xiàn)，比如陽光是由多種光混合而成的三棱鏡實(shí)驗(yàn)就是他搞出來的。他認(rèn)為光又能反射，還折射，運(yùn)動軌跡會改變，就像乒乓球扔墻上會反彈回來，因此它最小的單位應(yīng)該是粒子。

十九世紀(jì)，托馬斯·楊反擊牛頓，他只干了一件事，讓一束光通過了兩條小縫，后面有塊感應(yīng)屏。“按照牛頓的說法”這個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)該是兩條條紋，如下面：

實(shí)際上卻出現(xiàn)了下面的結(jié)果：

于是老楊說光就像下面的水波一樣，其實(shí)波：

通過縫隙的光波變成了兩個波，兩個波接觸干涉，出現(xiàn)和水一樣的現(xiàn)象，于是在屏幕上顯示出干涉條紋。

這就是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，但是詭異的事情是量子力學(xué)的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

好景不長，隨著黑體輻射實(shí)驗(yàn)，普朗克發(fā)現(xiàn)光能量是一份一份不連續(xù)的，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)，即光與原子作用時(shí)是以粒子的形式交換能量的。于是大家重新審視雙縫實(shí)驗(yàn)，對它進(jìn)行升級。

既然光是一粒一粒的，那么我們把光子一粒粒通過雙縫會發(fā)生什么？（實(shí)際實(shí)驗(yàn)用的是電子，道理是一樣的）

大佬們很快地照著兩條縫像機(jī)關(guān)槍一樣發(fā)射一梭子電子，顯示屏上隨機(jī)出現(xiàn)大量的粒子，但站遠(yuǎn)點(diǎn)看這些粒子同樣組成了干涉條紋。既然是粒子，為何會發(fā)生干涉？

于是有人認(rèn)為一大堆電子在一起擠來擠去的所以發(fā)生了干涉，有點(diǎn)像兒童樂園里的海洋球，當(dāng)你跳進(jìn)去，海洋球雖然是一粒一粒的，但是會像波一樣往向外擴(kuò)散，于是就有了雖然是粒子但同樣會發(fā)生干涉。但真的只是這樣嗎？

圖：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

科學(xué)家再次做了實(shí)驗(yàn)，改成了“手槍式”發(fā)射，“啪”打一發(fā)電子，電子到達(dá)了感應(yīng)屏，再打下一發(fā)，杜絕了兩個電子在運(yùn)動時(shí)發(fā)生干涉。然而科學(xué)家懵了，快點(diǎn)打和慢點(diǎn)打，結(jié)果是一樣的，屏幕還是出現(xiàn)了波動性，才會出現(xiàn)的干涉條紋，而不是兩條條紋！也就是說單個電子發(fā)生了干涉，那么它和誰干涉呢？就兩個縫，它只能選一個穿過，另一個縫沒有電子出來，上哪干涉去？

為了解決了問題，大佬們就在實(shí)驗(yàn)中安上了光電探測器“去看它”，看看電子是如何完成干涉的！結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子老老實(shí)實(shí)的在感應(yīng)屏上形成了兩條條紋。大家：上帝，告訴我發(fā)生了什么！

上面的故事已經(jīng)給了答案：波粒二象性

先按不靠譜的平行宇宙理論來解釋：你不看時(shí)，電子即從A縫過去，又從B縫過去，然后發(fā)生了干涉，你可以理解為量子出現(xiàn)了一個分身。如果你去看它，宇宙就分裂了，如果電子從A縫進(jìn)入，那么平行宇宙中的電子就從B進(jìn)入，是我們?nèi)ヌ綔y引起了宇宙的分裂，導(dǎo)致處于兩個宇宙中的電子（分身）無法形成干涉。

波爾的解釋：前半段和平行宇宙一樣，電子處于疊加態(tài)，這是一個波的狀態(tài)，但當(dāng)你去看它，就隨機(jī)坍縮成了粒子態(tài)。

愛因斯坦：無法解釋！肯定有什么我們還沒弄清楚的，反正上帝是不會搖號的。

圖：我們印象中電子在原子中是這樣的

圖：實(shí)際上它是這樣的，因此也叫電子云，具有概率性、波動性。

到目前的科學(xué)研究成果來看，波爾是對的。量子具有波粒二象性，這是量子力學(xué)的核心。一個電子同時(shí)具有波與粒子的性質(zhì)。

當(dāng)它沒有坍縮成粒子時(shí)，雖然也是以單個粒子發(fā)射，但波的性質(zhì)也在發(fā)揮著作用，當(dāng)你發(fā)單個電子就類似于發(fā)射出水波，你發(fā)射了一堆電子，其實(shí)就是在發(fā)射一堆波，這些波都會按著干涉后的結(jié)果顯示在感應(yīng)屏上。當(dāng)你探測電子，它坍縮成單獨(dú)的粒子性質(zhì)，所以一堆電子打出去，沒有發(fā)生干涉，只出現(xiàn)兩條條紋。

如果不理解量子的性質(zhì)就會覺得，我不看出現(xiàn)干涉條紋，我看了卻不干涉了，似乎有點(diǎn)“恐怖”，理解了就理所當(dāng)然了，量子力學(xué)是目前人類發(fā)現(xiàn)的宇宙最底層的邏輯，它可以解釋宇宙起源，大到宇宙的構(gòu)成，小到組成宇宙最小結(jié)構(gòu)的粒子的形成。

答：算不上恐怖，但是這個實(shí)驗(yàn)很神秘。雙縫實(shí)驗(yàn)是英國科學(xué)家托馬斯·楊在1807年提出的，該實(shí)驗(yàn)證明了光波動性；到了20世紀(jì)初，量子力學(xué)的出現(xiàn)，給雙縫實(shí)驗(yàn)增加了新的解釋。

光的 歷史

牛頓是光學(xué)的鼻祖人物，在17世紀(jì)建立經(jīng)典力學(xué)，認(rèn)為光是由許多微小粒子組成的粒子流，也就是“光的粒子學(xué)說”，該理論成功解釋了光的折射、反射等等現(xiàn)象，在后來的100多年時(shí)間里，粒子學(xué)說一直被視為光的正統(tǒng)學(xué)說。

直到1807年，英國科學(xué)家托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)證明光是波而非粒子，因?yàn)楦缮媸遣ǖ奶卣?，從此，光的波動學(xué)說逐漸代替粒子學(xué)說成為正統(tǒng)。

又過了100多年，光的波動學(xué)說遇到一些無法解釋的現(xiàn)象，比如黑體輻射、光電效應(yīng)等等，然后普朗克、愛因斯坦等人，再次把光的粒子學(xué)說搬上科學(xué)舞臺。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家提出了光的波粒二象性，大物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾說過：“雙縫干涉是量子力學(xué)的核心實(shí)驗(yàn)，其中包含了量子力學(xué)最深刻的奧秘?！?/p>

雙縫干涉

在經(jīng)典力學(xué)的波動學(xué)說中，雙縫干涉就是對光的波動解釋，并沒有神秘的地方；但是在量子力學(xué)中，雙縫干涉就沒那么容易解釋了，其中有很多地方，科學(xué)家到現(xiàn)在都沒有弄清楚。

對于該實(shí)驗(yàn)，首先量子力學(xué)認(rèn)為，光是由一份一份的光量子組成，每份的能量大小為E=hυ，其中h為普朗克常數(shù)，υ為光子的頻率。

一束單色光穿過狹窄的單縫后再次穿過雙縫，就會在雙縫后面的屏幕上產(chǎn)生干涉條紋；該實(shí)驗(yàn)的神秘之處在于，如果我們一個一個地發(fā)射光子，也能得到干涉條紋，甚至我們把光子換成電子，甚至是分子，也能得到干涉條紋。

如果從粒子的角度看，粒子穿過單縫后，再次穿過雙縫時(shí)只有兩個選擇，應(yīng)該在屏幕上得到兩條亮紋；可事實(shí)是得到了多條明暗相間的干涉條紋，說明單個粒子在該實(shí)驗(yàn)中能進(jìn)行自我干涉。

換句話說，單個粒子不是通過了一條縫，而是同時(shí)通過了兩條縫；你沒聽錯，是單個粒子在同一時(shí)間，同時(shí)通過了雙縫，就好似單個粒子一分為二后通過了雙縫，然后再進(jìn)行干涉組成一個粒子落到屏幕上。

該實(shí)驗(yàn)的神秘之處還在于，一旦我們試圖探測粒子到底穿過了哪條縫，比如在雙縫處加上探測器，那么干涉條紋會立刻消失，就好像粒子知道你對它進(jìn)行觀測了一般。

實(shí)驗(yàn)過程的觀察與否，居然會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是非常令人費(fèi)解的；當(dāng)初愛因斯坦還對量子力學(xué)嘲笑到：難道在你不觀察時(shí)，月亮就不存在！

這個解釋讓人非常難以接受，但這正是量子力學(xué)對雙縫實(shí)驗(yàn)的詮釋，無數(shù)頂尖級的物理學(xué)家，都試想過你能想到的任何可能，最后都認(rèn)為這個解釋是最合理的。

該實(shí)驗(yàn)經(jīng)過延伸，還引出薛定諤的貓、量子延遲選擇實(shí)驗(yàn)等等；比如在薛定諤的貓中，貓死與貓活，對應(yīng)的就是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的兩條縫，兩個實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是一樣的，如果解決了雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，也就解決了那只半死不活的貓。