科学的神话——双缝干涉实验，我们的观察真的会影响光子的行为？
在网络里流传着这么一个关于量子力学的科学神话 ：我们的意识决定了微观粒子的行为，甚至决定了物理世界的神的观客观实在性 。这是话双真的吗？这篇文章将为你破除这个神话，回复科学的缝干本来面目 。这一切都要从一个实验说起 。涉实
缘起——光的验们影响微粒说与波动说之争
从牛顿时代开始 ，光的科学性质问题就在科学界引起了争论 ，当时科学界有两种截然不同的神的观观点 ，一种观点是话双牛顿所认为的光是微粒 ，另一种观点是缝干胡克 、惠更斯等人所认为的涉实光是波 。由于牛顿在物理学界统治性的验们影响地位和威望 ，使他的科学光微粒说盖过了光波动说 ，成为此后一百年科学界的神的观主流观点 。
直到牛顿《光学》发表一百年后的话双1801年 ，英国科学家托马斯·杨以一个实验逆转了这种形势 ，使光波动说再度复活，甚至成为了主流，这个实验就是——双缝干涉实验 ！
光波动说的有力证明——双缝干涉实验
双缝干涉实验是从单缝衍射实验衍生出来的 ，让一束光经过相距很近的两条狭缝后 ，投射到缝后的屏幕上 ，一般来说，当光经过一条竖着的狭缝时 ，会发生衍射——光绕过障碍物弯散传播的现象 ，在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹，而是一条横着的亮带 。（如下图上部分）这种现象早在17世纪就被意大利耶稣会神父弗朗切斯科·马里亚·格里马尔迪发现，并把它命名为衍射 。
而当两条缝的亮带在屏幕后重叠时 ，理论上应该会显示一条更亮的光带 ，但神奇的事情发生了 ，最终在屏幕上显示的却是一条条明暗相间的条纹……（如下图下部分）
这是一件很诡异的事情 ，因为在这些条纹的暗纹上 ，原来应该是有光的 ，但当两条缝的光重叠后 ，那些位置却变成了没有光 。这种现象用牛顿的微粒说似乎无法解释 ，托马斯·杨从水波的干涉里得到启发 ，提出光是一种波 ，暗纹是光波互相干涉产生的 。
光微粒说复活——爱因斯坦的光电效应
人类对宇宙的认知革命永远是由极少数天才推动的 。在双缝干涉实验证明光的波动说后又过了一百年 ，一位天才再次刷新了人们对光的认知 ，这位天才就是二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦 。
1905年 ，物理学博士刚毕业，还是专利局小职员的爱因斯坦发表题为《关于光的发射和转化的启发式观点 》的论文，以光作为能量子即光量子的形式解释了光电效应现象 。这一开创性的理论使他获得了1921年度的诺贝尔物理学奖 。
粒子与波的探究——单光子双缝实验
光量子的提出使光微粒说再度复活 ，但问题随之而来 ：光究竟是粒子还是波 ？两种形式都有实验证据，似乎两个都对 。但是问题又来了 ，波和粒子是两种截然不同的特性 ，光在什么情况下会表现出波的特性 ？什么情况下又会表现出粒子的特性？
光量子假说提出四年后 ，一位英国的物理研究生杰弗里·泰勒设计了一个弱光双缝实验，他利用熏黑的玻璃极大限度地降低了光源的亮度 ，直到理论上在光源与屏幕之间任意时刻最多只有一个光子经过 ，然后利用照相机的感光胶片超长时间的曝光，记录下了经过双缝的光 。
当照片冲印出来，神奇的一幕出现了，即使光子一个个地通过双缝 ，最后曝光的照片里依然出现了清晰的明暗干涉条纹 。
这意味着即使只有一个光子通过双缝 ，依然产生了干涉 ，那究竟光子跟谁干涉 ？似乎只能有一种解释：光子跟自己干涉了 。
奇怪的物理——光的波粒二象性
这个问题直到10多年后才被法国科学家德布罗意解决 。他在其物理学博士论文中提出了波粒二象性 ，他指出不单光子 ，所有的微观粒子都同时具有波的特性 ，他称之为物质波。物质波理论预言了单个电子过双缝也能产生干涉条纹 。
光波什么时候成为粒子 ？
在确定了光的波粒二象性后 ，一个问题横亘在科学家面前 ：光波是什么时候成为粒子的 ？
一个显而易见的事实是 ：在所有的实验里 ，光最终都是以粒子的形式呈现的 ！比如在光电效应里轰出电子，在曝光不足的照片里呈现的也是一些零星的光点 ，所以答案显而易见 ：光在被观察到的时候是个粒子 。也就是观测使波成为了粒子？如果测量发生得更早又会如何？科学家决定升级双缝干涉实验——测量粒子通过哪一条缝 。
科普书里的神话——你一看 ，干涉条纹就消失……
很多人看到科普里关于双缝干涉观测实验的描述都是这种近乎神话的故事 ，有的故事里用摄像机拍摄 ，有的故事里更干脆 ，直接拿眼睛看 。这些描述显然并非事实，只是一些虚构的思想实验 ，现在看来 ，这些思想实验有极大的误导性 。
直接观察并不会导致干涉条纹消失 ！无论是用眼睛看还是用摄像机拍都不会 ！
揭秘——观测导致干涉条纹并不诡异
跟很多人的想象可能不一样 ，科学家实际上并不是被观察干涉就消失的实验结果吓到 ，而是这结果早就在他们的预料当中 。科学家实际要进行的不是观察，而是测量 ！
他们要测量粒子是从哪一条缝通过 ，怎么测量 ？以光子为例 ，没有任何方式在不干扰光子的情况下从侧面看到光子 ，因此测量的方式实际上就是让光子仅能从其中一条缝通过……比如在其中一条缝上放一个垂直偏振镜 ，这样 ，所有水平偏振的光子就都不能从这条缝经过……
看到这里聪明的你一定已经发现猫腻了 ，这特么就是让光只能从其中一条缝经过啊？这不就相当于过单缝了吗 ？前面我们说过光子是跟自己干涉的 ，现在光子只能穿过其中一条缝 ，还跟谁干涉去 ？……
真正诡异的是什么 ？
综上分析 ，观测导致干涉条纹消失并不诡异 ，但这并不表示量子力学就不诡异了！量子力学真正诡异之处在于微观粒子在被观测到之前所处的“波”态 ！这个波的状态被称为叠加态 ，量子力学真正诡异的地方就在这个叠加态 ！但这已经不是这篇文章要讨论的范围了，我们以后有机会再说说叠加态 。
下一篇文章我会介绍另一个科学神话——延迟选择实验！现在真能改变过去 ？敬请关注 。
如果对量子力学感兴趣 ，可以看看爱较真的戴老师的专辑《极简量子物理教程》 。戴老师是中科院理学博士 ，河南大学物理学教授。
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