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“少年時(shí)”《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的相互作用》截圖

在微觀世界里，粒子的行為和我們在宏觀世界看到的物質(zhì)的行為是不一樣的，也有違我們的直覺和常識。量子力學(xué)為我們研究微觀世界打開了一道大門，它用完美的數(shù)學(xué)解釋了微觀物理世界很多奇異的現(xiàn)象。在量子力學(xué)誕生后近一百年的時(shí)間里，一直存在著論爭；科學(xué)家也一直在設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證關(guān)于粒子奇異行為的理論，揭示量子世界的本質(zhì)，其中最有影響力的實(shí)驗(yàn)就是單電子雙縫實(shí)驗(yàn)。

在19世紀(jì)初葉，科學(xué)界對于光到底是波還是粒子，存在涇渭分明的兩種觀點(diǎn)。

1801年，有一位年僅24歲的英國醫(yī)生，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，引起了科學(xué)界的轟動(dòng)，為光的波動(dòng)說提供了有力的證據(jù)。

托馬斯·楊

這位醫(yī)生叫托馬斯·楊，他做的實(shí)驗(yàn)叫楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。讓太陽光透過一個(gè)紅色的濾光鏡，再穿過一張開了一個(gè)小孔的紙，這樣就形成了一個(gè)比較集中的“點(diǎn)”光源；在紙后面再放第二張紙，在上面開了兩道平行的狹縫。

托馬斯·楊利用太陽光的雙縫實(shí)驗(yàn)裝置

托馬斯·楊認(rèn)為，如果光是粒子組成的，從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，會(huì)形成兩道條紋。

但是，實(shí)際觀測到的是一系列明、暗交替的條紋，這和水面上兩道漣漪相遇而形成的紋路一樣。干涉現(xiàn)象是波特有的，因此如果出現(xiàn)了干涉條紋，就證明了光是一種波。光波到了兩道狹縫處，形成了兩個(gè)波源。當(dāng)左邊出來的波峰與右邊出來的波峰相遇的時(shí)候，強(qiáng)強(qiáng)疊加，就會(huì)變得更加明亮；而當(dāng)左邊出來的波峰與右邊出來的波谷相遇的時(shí)候，相互抵消，就會(huì)變暗，從而在屏幕后面形成明暗相間的干涉條紋。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，無可辯駁地證明了光是一種波。

兩列光波發(fā)生干涉，波峰、波谷相互疊加和相互抵消的示意圖

楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)之后一百年，又有一位23歲的年輕人重做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，又一次引起了學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)。

這位年輕人叫泰勒，他當(dāng)時(shí)還是一位在讀研究生。

英國物理學(xué)家杰弗里·泰勒

他研究了愛因斯坦的光量子論文，接受了光是一種粒子的理論。他在光源后加了一層煙熏玻璃，使得光的強(qiáng)度非常低，以至于可以把到達(dá)雙縫的光看作是一個(gè)個(gè)光子。這個(gè)“弱光”雙縫實(shí)驗(yàn)，后來被解讀為單光子雙縫實(shí)驗(yàn)，好比用一把“光子槍”，把光子一個(gè)一個(gè)地朝著雙縫發(fā)射。請注意，這里的細(xì)節(jié)和重點(diǎn)是：光子是“一個(gè)接著一個(gè)”發(fā)射的，中間是有時(shí)間間隔的（約幾個(gè)毫秒），而不像楊氏實(shí)驗(yàn)里的光是一直亮著的。因?yàn)槭欠浅Ｈ醯墓?，要在感光屏幕上留下光影，需要很長的曝光時(shí)間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)歷時(shí)三個(gè)月。

入射光束的強(qiáng)度降低到可以認(rèn)為在任何時(shí)間間隔內(nèi)，平均最多只有一個(gè)光子被發(fā)射出來，也叫單光子雙縫實(shí)驗(yàn)

按照光子的粒子特性，當(dāng)這些光子一個(gè)一個(gè)飛到雙縫前，有的被擋住，而穿縫而過的光子，應(yīng)該在后面的探測屏幕上留下兩道痕跡。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出人意料，記錄下來的是類似于楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的干涉條紋。

泰勒單光子雙縫實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的干涉條紋

明明是一個(gè)個(gè)發(fā)射出去的光子，怎么會(huì)產(chǎn)生類似于波干涉條紋現(xiàn)象的呢？

如果一個(gè)光粒子從上面的縫穿過，而后面一個(gè)光子從下面的縫穿過，它們是先后隔開了幾個(gè)毫秒，到達(dá)屏幕不同的位置，既不同時(shí)也不同地，怎么可能發(fā)生干涉？

難道是光子在穿過縫隙的時(shí)候，“神奇”地一分為二，變成了兩個(gè)帶有“波”特性的東西，自己和自己發(fā)生了干涉？

物理研究進(jìn)入了困境，一方面，科學(xué)家需要為光是波還是粒子找到身份定位；另一方面，還要研究這些波或粒子的存在狀態(tài)是怎樣的、怎么讓一個(gè)光子也能產(chǎn)生干涉。

1924年，德布羅意出來“打圓場”了，他認(rèn)為光既是粒子又是波，具“波粒二象性”。不僅光是如此，電子也是如此，所有的微觀粒子都是如此，都具波粒二象性。

1926年，為了描述微觀粒子的“波”的特性和微觀粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，天才的物理學(xué)家薛定諤研究出了一組波函數(shù)方程—薛定諤方程。通過解薛定諤方程，我們就可以得到“波函數(shù)”，也即得到微觀粒子系統(tǒng)的狀態(tài)。但是，薛定諤在發(fā)明這組方程的時(shí)候，并不清楚這個(gè)“波函數(shù)”到底在物理上是一個(gè)什么樣的存在。

1926年，玻恩解釋了薛定諤方程的“波函數(shù)”對應(yīng)的物理意義。在玻恩看來，光子不是確鑿的粒子，而是某一時(shí)刻在某一點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)粒子的概率；而無論德布羅意提出的“物質(zhì)波”還是薛定諤方程中的波函數(shù)所描述的，都不像經(jīng)典波（如水波）那樣代表什么實(shí)在的物理量在空間分布的波動(dòng)，而只不過是刻畫粒子在空間的概率分布的概率波而已。

光子在穿過縫隙的時(shí)候，確實(shí)“神奇”地變成了兩個(gè)帶有“波”特性的東西，而這個(gè)“波”既然是概率波，那么它就可以既出現(xiàn)在這一條縫，又出現(xiàn)在另一條縫，讓自己和自己發(fā)生了干涉—這夠神奇吧？

既然粒子的出現(xiàn)只是概率，那么我們能否用測量儀器來探測微觀粒子在什么地方呢？波恩認(rèn)為，在我們測量之前，微觀粒子既在這里，也在那里，以一定概率存在。等到我們測量時(shí)，粒子就會(huì)選擇一個(gè)單一結(jié)果表現(xiàn)出來。這也叫作“波函數(shù)坍縮”，這時(shí)粒子會(huì)決定它的位置！

不同能量狀態(tài)下氫原子中電子能夠被觀測到的概率由亮度表示，圖中越亮的位置，電子在該位置被觀測到的概率就越高。這就是電子的波函數(shù)

如果我們把波函數(shù)比作骰子的話，那么“波函數(shù)坍縮”就是骰子落地的時(shí)候。這個(gè)“概率波”和“波函數(shù)坍縮”解釋，是量子力學(xué)著名的“哥本哈根詮釋”的重要部分。

玻恩的理論太過驚世駭俗，和人們長期以來形成的直覺相沖突，當(dāng)時(shí)并不被大部分物理學(xué)家理解和接受。因此，他直到 1954 年才獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在近30年之后，大家才普遍承認(rèn)他的理論。

在“弱光”（單光子）雙縫實(shí)驗(yàn)過了50多年之后，物理學(xué)家費(fèi)曼在1961年提出了用電子來做雙縫實(shí)驗(yàn)。讓電子槍一個(gè)一個(gè)地發(fā)射電子，通過雙縫后，屏幕上會(huì)得到干涉條紋。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要縫隙和間距在納米量級（10-9m），在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，只能是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。

美國物理學(xué)家費(fèi)曼和他的思想實(shí)驗(yàn)

德國科學(xué)家瓊森和他的電子束雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1961年，德國科學(xué)家瓊森將一束電子（注意是一束，而不是單個(gè)電子）加速到50KeV，讓其通過縫寬為a=5x10-5m、間隔為d=2x10-6m的雙縫，當(dāng)電子束通過雙縫撞擊到熒光屏?xí)r，發(fā)現(xiàn)了干涉條紋。這個(gè)實(shí)驗(yàn)類似于楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的電子版。

1974年，意大利科學(xué)家Merli、Missiroli和Pozzi用“單電子”來實(shí)驗(yàn)，并用電子雙菱鏡來代替雙縫（注意不是雙縫）。讓電子有間隔地、一個(gè)一個(gè)發(fā)射出去。然后，在熒屏上記錄電子的位置。當(dāng)電子一個(gè)一個(gè)地累積起來的時(shí)候，最終的圖像顯示了干涉條紋。

意大利科學(xué)家和他們的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果——隨著時(shí)間推移形成干涉條紋

這個(gè)單電子的雙縫實(shí)驗(yàn)，在2002年被《物理世界》的讀者投票選為物理史上最美的實(shí)驗(yàn)（排名第一），而1801年的“原版”楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)排在第五。

而真正實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼提出的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)的，是科學(xué)家羅杰·巴赫（Roger Bach）等人（2013年）。實(shí)驗(yàn)中的雙縫的寬度為62納米，中心間隔272納米。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)狹縫都可以隨意機(jī)械式地打開和關(guān)閉，最重要的是，它具備了一次檢測一個(gè)電子的功能。

單電子的雙縫實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)的正確性：

電子具備“波粒二象性”，既是粒子，又是波。

電子的位置和概率，由薛定諤的“波函數(shù)”方程決定。

我們對電子進(jìn)行觀察的時(shí)候，“波函數(shù)坍縮”在屏幕上顯示為一個(gè)點(diǎn)的電子。

“少年時(shí)”《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的相互作用》截圖，圖下顯示宏觀和微觀不同物質(zhì)所發(fā)生的干涉和不干涉情況的比較

前面我們提到了量子力學(xué)“波函數(shù)坍縮”這個(gè)概念，也就是說通常微觀粒子既在這里，也在那里，位置不定，而當(dāng)我們測量它時(shí)，粒子就會(huì)選擇呈現(xiàn)自己的確切位置。

按照量子力學(xué)的解釋，科學(xué)家提出了如下的思想實(shí)驗(yàn)：

如果在雙縫后面的上方，放一個(gè)光子探測器，可以檢測到并記錄從上面的縫隙經(jīng)過的光子。此時(shí)，我們會(huì)得到讓人腦洞大開的結(jié)果：

 首先，探測器會(huì)記錄到有一半的光子經(jīng)過上面的縫隙。

 然后，后面屏幕上的條紋，居然不再是干涉條紋了，而是兩條痕跡。此刻，光子顯示出來的是粒子特性！ 

當(dāng)對著雙縫的光子探測器工作時(shí)，干涉條紋消失，意味著光呈現(xiàn)了粒子性

但是，如果我們把光子探測器關(guān)掉，后面屏幕上的干涉條紋又神奇般地回來了！

當(dāng)對著雙縫的光子探測器關(guān)閉時(shí)，干涉條紋出現(xiàn)，意味著光呈現(xiàn)了波動(dòng)性

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的最初版本還是費(fèi)曼提出來的：費(fèi)曼設(shè)想在單電子實(shí)驗(yàn)的雙縫中間放一盞燈，當(dāng)電子通過時(shí)，光子打到電子上產(chǎn)生散射，我們就可以看到電子是從哪一個(gè)縫通過的。

他分析到，光子撞到電子時(shí)會(huì)干擾電子，因此，他降低了光的強(qiáng)度。不過，就算只有一個(gè)光子，仍然有足夠的能量來干擾。他進(jìn)一步認(rèn)為，要讓光子不干擾電子，只能增大光的波長，也就是降低光子的能量。但是增大波長就會(huì)降低分辨率，最后我們可能就看不清了，這就是不確定性原理。最后，他認(rèn)為：只開燈，不觀測，也會(huì)讓干涉條紋消失。

其實(shí)，在費(fèi)曼這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)里，觀測不觀測不重要，開燈本身就是宏觀世界對微觀世界干擾了，這和單光子實(shí)驗(yàn)里安放“光子探測器” 的效果是一樣的。兩個(gè)版本的思想實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上是一樣的，就是實(shí)驗(yàn)過程有沒有對粒子造成干擾。

這是一個(gè)神奇的思想實(shí)驗(yàn)，我們在雙縫后面有沒有做測量，會(huì)影響到后面屏幕上的條紋。

這就是量子力學(xué)的神奇之處：當(dāng)我們沒有在雙縫后面觀察光子時(shí)，后面屏幕上的條紋由薛定諤方程來決定其概率分布；當(dāng)我們在雙縫后面觀察光子的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)我們上面提到的 “波函數(shù)坍縮”，光子以50%的概率穿過雙縫中的一條，到達(dá)屏幕。

玻爾對此的解釋是“互補(bǔ)理論”：光子和電子可以表現(xiàn)出波的特性或者粒子的特性，但我們在同一時(shí)刻只能觀測到它的一種特性，而無法同時(shí)觀測到兩種特性。當(dāng)我們觀察到光子的粒子特性的時(shí)候，光子的波動(dòng)性就消失了；當(dāng)我們觀察到光子的波動(dòng)性的時(shí)候，光子的粒子性就消失了。

在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家做了“which-way”的雙縫實(shí)驗(yàn)，在雙縫后面做探測，看粒子到底是從哪條縫里經(jīng)過的（這就是which-way的含義）。當(dāng)這種探測是“深度騷擾”時(shí)，對粒子會(huì)產(chǎn)生影響，屏幕上的干涉條紋會(huì)消失。而當(dāng)這種探測只是“輕微騷擾”時(shí)，對粒子的影響不大，屏幕上的干涉條紋仍然存在（當(dāng)然，這種“輕微騷擾”的“淺淺一瞥”，并不能十分可靠地給出粒子經(jīng)過哪一個(gè)縫隙的信息）。確實(shí)，我們在宏觀世界“看”， 這一眼看得“輕”還是看得“重”，會(huì)影響微觀世界粒子的行為。

2011年，意大利的科學(xué)家用幾層原子做成過濾器，作為“which-way”探測器。粒子經(jīng)過沒有過濾器的縫隙時(shí)（相當(dāng)于沒有被探測），受到彈性散射，變成柱形波；而粒子經(jīng)過有過濾器的縫隙時(shí)（相當(dāng)于被探測了），受到非彈性散射，變成球形波。球形波和柱形玻碰到一起，無法形成干涉條紋。這從波形的角度解釋了為什么“探測”這件事本身會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)科學(xué)家將過濾器厚度增大的時(shí)候，干涉條紋消失；而過濾器很薄的時(shí)候，有微弱的干涉條紋存在。

一種“which-way”實(shí)驗(yàn)結(jié)果：粒子經(jīng)過沒有被探測的縫隙時(shí)變成柱形波；而當(dāng)它經(jīng)過被探測的縫隙時(shí)，變成球形波

如果和上一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來，我們或許可以說，當(dāng)我們探測時(shí)，“重重地看了一眼”，一下子把粒子變成了“球形波”，沒被看的粒子維持著“柱形”，“球形”“柱形”兩不相干了。

近來科學(xué)家又有新的創(chuàng)意和突破：他們使兩個(gè)粒子互相糾纏（可以想象成一對孿生的粒子），其中一個(gè)粒子用來做“which-way”的觀測，另一個(gè)粒子通過雙縫干涉。這樣一來，科學(xué)家同時(shí)獲得了粒子特性和波的特性。

雙縫實(shí)驗(yàn)和波粒二象的研究至今依然讓科學(xué)家著迷。

從1801年的楊氏雙縫光干涉實(shí)驗(yàn)到2013年的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)，一個(gè)簡簡單單的雙縫，間距只有幾厘米甚至幾十納米，卻前后跨越了二百多年，見證了光的波動(dòng)性的漣漪、波粒二象性的神奇、薛定諤方程的美妙和量子力學(xué)的石破天驚?？梢院敛豢鋸埖卣f，正是雙縫，讓我們得以初窺微觀粒子世界的奇妙。

科學(xué)家也一直在設(shè)計(jì)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，來搞清楚到底是什么引起“坍縮”，我們的測量手段本身在其中起了什么作用，平行宇宙是否存在，量子糾纏到底是怎么回事等等。通過探索這些未解之謎，科學(xué)家或許會(huì)對愛因斯坦“上帝不擲骰子”的觀點(diǎn)做出回答。

本文刊登于2018年8月出版的“少年時(shí)”系列《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的相互作用》，作者為海上云，他從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方面的研究開發(fā)，獲10多項(xiàng)美國專利，也是“少年時(shí)”專題編輯。

《少年時(shí)》系列出版物聚焦于探討全球熱議的新銳科學(xué)和人文話題，傳播國際教育新知和創(chuàng)新思維理念?！渡倌陼r(shí)》收集了世界級科學(xué)家和學(xué)者研究的48個(gè)熱門話題，從人類進(jìn)化到人工智能，從數(shù)學(xué)在西方到硅谷的演變，從幸福的科學(xué)到寫作等學(xué)科探究，引領(lǐng)中國現(xiàn)代少年明辨探究，實(shí)事求是，展開前沿科技的創(chuàng)新和維護(hù)人類文明的對話。

制作《少年時(shí)·物質(zhì)的本源——基本粒子和它們之間的相互作用》的初衷，總編祝偉中是這么說的：

1.在某種意義上，孩子接受基本粒子物理學(xué)的一些觀念，是不是比大人容易呢？因?yàn)樗麄儗ξ覀兩畹暮暧^世界的認(rèn)知還沒有那么根深蒂固。就如孩子越小學(xué)游泳越容易那樣。

2.深究事物、追根溯源，是人類的本能，是人類的追求，更是現(xiàn)代人的素質(zhì)和情懷。

3.我們不是用童書的方法來講基本粒子物理學(xué)，而是試圖用科普書的方式來講，也就是簡化、淺化物理書，讓大人小孩都適合看。而且剛好沿著學(xué)科發(fā)展的時(shí)間線，能夠由淺入深。從頭開始看，能看到哪一篇，就是哪一個(gè)層次。

4.基本粒子物理學(xué)跟我們的生活有沒有關(guān)聯(lián)呢？我們知道，基本粒子物理學(xué)的一個(gè)重要理論是量子力學(xué)，而現(xiàn)在的半導(dǎo)體物理就是基于量子力學(xué)的；沒有量子力學(xué)，就沒有計(jì)算機(jī)和一切電子設(shè)備，也就沒有我們的現(xiàn)代化社會(huì)。

編輯：霧里熊