深度科普：爲什麼說電子雙縫干涉實驗的結果很恐怖？漲知識了！

兩百多年之前的托馬斯·楊所做的干涉實驗，向我們展示了光不僅僅是粒子，還是一種波。實驗結果有力地證明了光能夠展現

波的特性，例如自我干涉。

光作爲一種波，它在通過兩條狹窄的通道之後，會發生干涉現象，在屏幕的後方形成明暗相間的條紋。

這項實驗在發明後的一個多世紀中，成爲了物理學的核心，甚至被視作現代量子力學的起點。

愛因斯坦提出，光由一個個的“光量子”，簡稱“光子”組成。

這些光子聚合在一起時表現出波的特性，但當它們單獨存在時，又呈現出粒子的特性。這就是我們所稱的“波粒二象性”。

也就是說，光既可以是粒子，也可以是波。

在聽到“光既是粒子也是波”這樣的說法時，你可能並不覺得驚訝，那是因爲你對“波”和“粒子”缺乏直觀的理解。

但是，如果你聽到“XX既是貓又是狗”、“XX既是石頭又是金子”、“XX既是活的又是死的”這樣的話，你肯定會覺得不可思議。

在20世紀初期，許多物理學家聽到“光既是粒子也是波”時，他們的震驚與你聽到“XX既是貓又是狗”時的感覺是一樣的。

在物理學家們的眼中，波就是波，粒子就是粒子，兩者是截然不同的。

比如水波，它是由水分子上下移動而引起的，但這只是表示能量的傳遞，並非一個實際的物體；

再如聲波，它僅僅是由空氣分子的震動所產生，除了空氣分子和傳遞的能量之外，並沒有其他物質存在。

水波和聲波不可能是實實在在的小球在水中或空氣中飛來飛去。

然而，隨着各種實驗的開展和理論物理研究的深入，物理學家們不得不接受這樣的觀點：波的產生並不一定要有媒介，以太這種物質並不存在，在真空中光波也能傳播。

而且光波確實包含了巨大的光子數量，單個光子的行爲類似於經典粒子，但聚集起來就形成了波。

當這一觀點被越來越多的物理學家接受時，有人提出了一個問題：“在雙縫干涉實驗中，單個光子是通過了左縫還是右縫？”

物理學家們意識到，真正的難題出現了。

這個問題到底意味着什麼？是什麼導致了基礎理論物理中的經典世界觀陷入困境？

讓我來詳細地爲你解釋這個問題對物理學家們造成了什麼樣的震撼。

如果一束光只通過一條狹縫，屏幕上不會出現干涉條紋；

如果光通過兩條狹縫，干涉條紋就會出現。

設想我們將一束光看作是由億萬個光子構成，每個光子相當於一個小球。

（當然，光子並非小球，這只是一個比喻，不會影響我們探討問題）。

當一個光子遇到狹縫時，我們通常會認爲這個光子要麼通過左縫，要麼通過右縫，二選其一。

但問題是，光子是如何在通過左縫時知道還有右縫的存在呢？

光子只是沒有生命的小球，它不像人一樣能在飛向狹縫時用眼角的餘光觀察到是否有其他縫隙，

如果看到還有一道縫我就這麼飛，如果沒有另外一道縫，我就那麼飛。

你可能還沒聽懂，沒關係，我會用圖示來解釋，這個事情我必須詳細說明，因爲這關乎整個量子力學的基礎。

現在，我們先假設只有一條縫，看看光子如何通過這條單縫：

光子通過單縫時，會隨機地落在屏幕後方的一片區域內。

我們可以做一個簡單的實驗，發現這就是所謂的光的“衍射”現象，一束光通過一條狹縫後，會在屏幕上形成一片光亮區域，

離狹縫越近的區域越亮，離狹縫越遠的區域越暗。在這幅圖中，我們把光子想象成小球，它們通過一條狹縫後，並非走直線，

而是根據概率分佈在屏幕上，中間多兩邊少。

但是，如果我們在那條狹縫旁邊再開一條縫，情況就會變得非常奇妙，彷彿光子成了一支訓練有素的軍隊，排成了整齊的隊列。

如果是雙縫，光子通過雙縫後會在屏幕上規律地排列。

光子能排列成整齊的隊形並不奇怪，可以用波的干涉現象來解釋；但單個光子是如何在通過左縫時知道右縫的存在，通過右縫時又知道左縫的存在呢？要知道，相對於光子的尺度而言，雙縫間的距離就如同地球與月球之間的距離。簡潔地提問就是：單個光子到底通過了左縫還是右縫？

我擔心你可能還沒有完全理解這個問題的奇特之處，爲了確保你能明白，我再舉一個例子。假設你是一個足球運動員，在你和球門之間立着一個雙縫牆，你開始向兩條縫隙踢球，你覺得會發生什麼？是不是像下面這幅圖展示的那樣：

但如果你踢的不是足球，而是一個個光子，你會看到如下奇特的景象：

這樣的景象在現實生活中看到，你肯定會覺得不可思議，像變魔術一樣？難道這是真的？這是爲何？

哥本哈根學派的物理學家玻爾向大家解釋道：“這個問題本身不成立！光子既不是通過左縫，也不是通過右縫，而是同時通過了左縫和右縫。”請注意，玻爾並不是指光子會分身術，一半通過左縫，一半通過右縫，他明確表示，同一個光子同時通過了左縫和右縫。

是的，你沒聽錯，這正是嚴謹的物理學家所說的話。相信我，當你感到困惑的同時，我也有同樣的感受，量子世界的行爲幾乎無法用正常思維去理解。按照我們的理解，愛因斯坦和玻爾可以分別位於德國和丹麥，或者他們可以今天在德國，明天在丹麥；但如果有人告訴你愛因斯坦同時位於德國和丹麥，玻爾同時通過了凱旋門和埃菲爾鐵塔，你一定會認爲他思維混亂。

當哥本哈根學派這樣解釋時，他們也是冒天下之大不韙。大多數物理學家都反對玻爾，尤其是愛因斯坦，對他表示失望，認爲玻爾拋棄了基本的理性。還有一位最激烈反對的物理學家表示，如果哥本哈根學派的解釋正確，他寧願放棄物理，轉行做醫生。

你可能會想，大家何必爭吵呢？光子到底通過了左縫還是右縫，我們在實驗室裡仔細觀察一下不就行了嗎？直接做實驗驗證不是更好嗎？你的想法完全正確，物理學家們也是這樣想的，但實驗的難度遠超人類的想象。光子不是足球，也沒有攝影機能夠記錄下光子的飛行軌跡，也不能在光子上安裝跟蹤器，全天候跟蹤。

再深入一點，我們之所以能“看見”物體，是因爲物體發射出無數的光子，或者反射出無數的光子，這些光子在我們的視網膜或底片上成像，讓我們“看見”。但如果我們要“看見”的對象是光子本身，那問題就大了，這個光子如果射到了我們的眼睛裡，它自然不會跑到左縫或右縫去（跑到我們眼睛裡了）。

那麼，有沒有可能反射其他光子呢？很遺憾，不可能，因爲其他光子和它一樣大，能量一樣強，它沒有能力把其他光子反射出來，同時自己的運動不改變，就像一粒子彈不能把另一粒子彈反彈出去一樣。總之，要“看見”光子通過左縫還是右縫，幾乎不可能。

但是物理學家們畢竟不同於常人，他們的探索之魂無人能及。

他們不久便察覺，不單單是光，連電子流也能呈現出雙縫干涉的奇景，電子亦展現出波粒二象性。與測量光子相比，測量電子輕而易舉，這得益於電子既有質量又攜帶電荷，其尺寸也遠大於光子。於是，科學家們便能在雙縫的每個縫隙安裝觀測設備，以監視電子是否穿越狹縫。

因此，衆多物理學家爲了證明哥本哈根解釋的荒誕，不惜耗費巨大精力改良實驗裝置，不斷提升測量精度，日以繼夜地在實驗室裡揮灑汗水。他們渴求獲得確鑿證據，以證明電子在雙縫干涉實驗中確切地通過了特定縫隙。

然而，實驗結果出乎意料。我們必須得承認，物理學家們秉性誠實客觀。儘管他們對哥本哈根解釋反感至極，但全球的物理學者們都不得不承認，實驗表明：

一旦在雙縫上安裝了觀測裝置，電子的確可以通過特定的縫隙被觀察到；但詭異的是，一旦電子被觀測到，雙縫干涉條紋便會消失無蹤，而忽視觀測時，雙縫條紋又奇蹟般地顯現。這如同那個以光子作爲足球的實驗一樣，一旦有人看到了足球穿過某道牆縫，足球便不再整齊地落入網內固定的位置，而一旦無人觀察，足球便會奇蹟般地再次落入那些固定位置。

如此奇異的現象，物理學家們絞盡腦汁也無法理解，爲何電子的行爲與觀測竟有牽連？

一旦觀測，電子只選擇一條縫隙通過，不形成干涉條紋；忽略觀測，電子卻似同時通過兩條縫隙，留下干涉條紋，這實在不可思議。

舉個例子，假設你用一支自動射擊的衝鋒槍瞄準靶心，每次都能命中，你對此甚是滿意。但當你換成由電子製成的“子彈”，一旦你盯着靶心，每次都能命中，但一旦你背過身，等你轉回頭，發現“子彈”以靶心爲圓心，散落一地。你以爲是槍的固定裝置出了問題，於是盯着靶心再次射擊；這次仍舊是每次都命中。但當你再次轉身射擊，“子彈”又開始亂飛。

這已經遠遠超出了奇異的範疇，近乎令人瘋狂。

還記得愛因斯坦世界觀的中心及其兩大基本點嗎？中心即“因果律”，兩大基本點是“定域”與“實在”。如今，“實在”這一愛因斯坦理想宇宙的基礎受到了嚴重質疑，因爲實驗反覆向物理學家們表明：電子的行爲似乎與我們的觀測有關。

電子似乎不再是一個獨立於我們意識之外的“客觀實在”，它彷彿是爲我們而存在，爲我們的觀測而表演，其行爲受我們“看”與“不看”的影響，愛因斯坦的世界觀遭受了首次最直接的衝擊。

此時，玻爾帶領的哥本哈根學派再次站出來解釋：“正如大家所見，電子的雙縫干涉實驗結果總是一致。

這表明電子必須遵循‘不確定原理’，即電子的運動路徑是不確定的，我們不能用一條直線來描繪其軌跡，而要用一團概率雲來表示。在觀測前，我們無法確定電子的確切位置，只能知道它出現在某位置的概率。當我們觀測到電子後，雖然它處於確定位置，但我們仍無法知曉它如何到達此位置或通過何種路徑。

事實上，這個電子同時存在於概率雲的每一個位置。

而且，我們對電子的位置測量得越精確，對其速度的測量必然越模糊，測量行爲本身將影響電子的運動。反之，我們對電子的速度測量得越精確，對其位置的測量也將越模糊。換言之，我們永遠無法同時得知一個電子的位置和速度。因此，不確定原理也可稱爲‘測不準原理’”。

如果牛頓在地下有知，聽到玻爾的這番言論，定會勃然大怒，斥責玻爾背離正道。牛頓是堅定的決定論者，他認爲，只要知道某一時刻的所有信息，就能預言未來發生的一切。

但玻爾卻無情地告訴牛頓：“抱歉，你連最基本的速度和位置信息都無法同時準確得知，何談計算與預測？”愛因斯坦也表示反對：“玻爾先生，我實在無法贊同您的解釋。沒有明確的運動軌跡，只有概率，這算什麼解釋？您以爲上帝是一個愛擲骰子的賭徒嗎？時間和空間竟被您帶到了賭桌上！”

雙縫實驗的進展已經足夠瘋狂，竟引出了“不確定性”原理：物質的基本組成——電子，以及所有與電子大小相當的基本粒子的行爲都是不確定的。我們只能得知它們在哪裡，或它們的運動速度，想要同時知道兩者，那是癡心妄想。

然而，接下來的實驗更告訴我們一個道理：在量子的世界裡，沒有最瘋狂，只有更瘋狂。物理學家們幾乎同時發現了一個更“恐怖”的結果：哪怕你是在電子已經通過了雙縫之後再去觀測電子實際通過了哪條縫隙（原理較爲複雜，我們無需深究具體觀測手段，只需瞭解物理學家們有方法觀測），一旦進行觀測，干涉條紋便會消失。

也就是說，只要你在電子通過雙縫之後再觀測，電子就不再同時通過雙縫；而放棄觀測，電子又會同時通過雙縫。讓電子同時通過還是不同時通過雙縫，這個選擇可以在電子實際通過之後再決定。

這簡直太詭異了！這個實驗結果直接與愛因斯坦堅守的“因果律”相悖，原本因果關係明確，結果由原因引起，現在卻成了觀測行爲影響了電子之前的選擇，難道結果能改變原因嗎？難道歷史可以被改變？（費曼辯護說，不是歷史可以改變，而是歷史本就是無數個可能發生的，許多人聽完都暈倒在地）這嚴重違背了因果律，離經叛道。

哥本哈根學派進一步解釋道：“我們認爲，沒有真正的因果關係，只有‘互補原理’，原因和結果是互補關係而非先後關係。你我既是演員又是觀衆，觀測者與被觀測者互相影響，形成互補關係。原因能影響結果，結果也能影響原因。”

愛因斯坦實在坐不住了，他發表了一系列文章，並在公開會議上與玻爾辯論。他認爲玻爾已經從物理學家蛻變爲形而上的哲學家，玻爾的理論哪還像物理學，簡直就是哲學，還是帶有僞字的哲學。儘管愛因斯坦對實驗結果同樣感到震驚，但他堅信，一定會有一個溫暖的、符合經典世界觀的理論來解釋這些現象，只是我們尚未找到這個理論。

此外，他對物理學家的實驗方法也提出了質疑，認爲所有的實驗結果只能算是一種統計近似，並非顛覆自己信仰的“因果律”和“實在性”的直接證據。

但不管怎樣，這個雙縫干涉實驗對愛因斯坦世界觀的一箇中心兩個基本點中的兩項內容造成了嚴重衝擊。整個物理界陷入混亂，從此波瀾壯闊，天下再無寧日。

要知道，這個世界上所有物質，從根本上說，都是由基本粒子，也就是量子構成的。如果量子是不確定的，那麼由量子構成的我們是否也是不確定的呢？最令人震驚的一次實驗發生在1999年，由一組物理學家在奧地利完成，他們用60個碳原子組成一個叫“巴基球”的東西，用它來模擬雙縫實驗，同樣得到了神奇的干涉現象。現代科學家們設想用更大的病毒來進行雙縫實驗，病毒在某種意義上算是生命體，它們可能具有“意識”。不知道它們將如何體驗同時通過雙縫的感覺。

如果一個光子穿越有雙縫的平面，

只要觀察了其中一個縫隙，

那麼光子就不會同時穿越兩條縫隙，

但如果不進行觀察，它就會同時穿越兩條縫隙。

然而，哪怕光子是在離開平面（即縫隙後）後，

在撞擊目標之前被觀察了，

它還是不會同時穿越兩個縫隙。

現在我相信你肯定明白了，不僅明白了，而且開始感到困惑了。顯然，我們每個人心中那個樸素的宇宙觀受到了挑戰？