第39章 光子双缝干涉实验（1 / 1）

简单地说，光子双缝干涉实验的来龙去脉是这样的：

1801年，英国物理学家托马斯.杨进行了有名的双缝干涉实验，他让一束点光源的光通过一个双缝，然后在双缝后面的光屏上面观察到了干涉条纹，这是由于光具有波动性，光通过双缝到达显示屏上时由于走过的路程不同，从而产生相位的相长或相消。因此产生了明暗相间的干涉条纹。

托马斯.杨的双缝实验之后过了一个多世纪，量子力学有所发展之后，人们对微观粒子有了更深刻的认识，即所有微观粒子都具有波粒二象性。1961年琼森(ClausJönsson)将一束电子加速到50Kev，让其通过一缝宽为a=0.510-6m，间隔为d=2.010-6m的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了电子的干涉条纹，从而证明了电子具有波动性。之后一系列的实验又证明了其他粒子，质子、中子等也可以观察到干涉条纹，也具有波动性。电子的双缝干涉实验是直接验证量子理论的经典实验之一。

单电子双缝干涉实验

关于粒子的双缝干涉实验，我们会想到这么一个问题：粒子的波动性是许多粒子的集体行为还是单个粒子的本征行为？如果在做电子的双缝干涉实验时，我们可以有效控制电子流量，让电子一个一个通过双缝，一个一个达到屏上，还会出现波的干涉条纹吗？

直觉告诉我们，不会。

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，实验需要等待能够穿过夹缝的电子一个个去感光成像，一段时间后，探测屏上也神奇的形成干涉。像量子理论中预言的那样，他们真观测到了单电子的干涉条纹！这个看似反直觉的实验在2002年被“PhysicsWorld”评为最美丽的科学实验。

双缝试验为什么恐怖?

如果电子是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹。如果电子是以波的形式运动，由于波之间存在干涉，穿过双缝落到黑板上是一道道痕迹。一开始实验表明电子以波的形式运动。即使一个个电子发射，黑板上还是一道道痕迹。于是科学家想知道为什么一个个电子发射也会有波的现象，于是将高速摄像机对准双缝以便观察。重点来了：当想进一步观察时，粒子却是是互不干涉地运动，穿过双缝落到黑板上是两道痕迹!

延迟选择实验

约翰·惠勒（John Archibald Wheeler 1911-2008）提出的实验证实了光真的具有“智慧”。之前提到，有学者怀疑是人的观测影响了实验，导致粒子性质变化。那么我们可不可以在光已经确定自己性质之后再去观察它的状态呢？这就是惠勒延迟选择实验的目的。

惠勒延迟选择实验属于双缝实验的一种变形。

实验1、证实光子的粒子性：从光源发出一光子，让其通过半反半透镜1，光子被反射与透射的概率各为50%。之后，在反射或透射后光子的行进路径上分别各放置一个全反射镜A和B，使两条路径反射后在C处汇合，C处放有两探测器AB，分别可以观察A路径或B路径是否有光子。此实验结果是，每次只有一个探测器能够测得光子，即能确定光子走的是哪一路径（A→C或B→C），光具有粒子性。（所谓的半透镜是一种特殊的镜子，它可以让一半的光通过，而另一半的光则会被反射。除了半透镜之外，在光穿过半透镜之后的行进方向上，以及光经过半透镜反射后的行进方向上，再设置两面镜子来分别改变它们的行进路径，这下就不是半透镜了，而是镜子，而当光遇到镜子后将会被反射，不会穿透。这样经过反射之后，被半透镜分割的光，将分别抵达两个光子探测器。）

如果按照常理来看的话，两个光子探测器会分别探测到一半的光子能量。不过基于量子力学的假设，惠勒认为，必定只有一个探测器能检测到1个光子的能量，另一个探测器将完全没有反应。两个探测器检测到的概率都是50%，但是我们无法预测到底哪一个探测器会检测到光子。

惠勒的想法确实不错，不过惠勒并非实验物理学家。好在进行这样的实验并不具有太大难度，没过多久，实验物理学家便证实了惠勒的结论。这个实验就告诉我们，一颗光子有50%概率被半透镜反射，有50%的概率穿过半透镜，总之只有一个探测器可以检测到一个光子的能量，也就是说，光子是无法进行再分割的能量块，它具有粒子性。而如果光是波的话，那就它就应该可以无数次地被分割下去，在这种情况下，用半透镜一分为二后，两个探测器应该各自检测到一半的光子能量。就这样，惠勒通过这一实验，出色地展示了光具有粒子“无法再分割”的性质。

实验2、证实光子的波动性：如果在两个探测器前的C点处再放置一个半反半透镜2，便可以使光子发生自我干涉。适当调整光程差后，可使得在某一方向（A或B）上干涉光相消，此方向上的探测器总是无法收到信号，另一方向上的探测器则必定会总是接收到信号。简单说，加上半反半透镜2就人为的抹除了电子的路径信息，即观察者无法知道电子走了哪条路径。按量子力学理论，这时的实验结果说明：光子变成概率波，同时经过了两条路径。即：光波将被半透镜一分为二，并分别射向镜子A和镜子B，然后经过反射后分别射向新设置的半透镜。来自镜子A的光波射向新设置的半透镜后，将会被一分为二，分别射向两个光子探测器，而来自镜子B的光波也是如此。（在这个实验中，有一个关键步骤，那就是要事先调整好镜子与半透镜的距离，比如让经由镜子A的光的移动距离，仅仅比经由镜子B的光的移动距离，长半个波长。这样一来，便使得射向探测器A的两个光波，可以相互减弱以至于抵消，而射向探测器B的两个光波就必须会相互增强。结果就是，探测器A根本检测不到光，无论做多少次实验，都是如此。与此相反的，探测器B则每次都可以检测到光。）

这个实验之所以叫延迟选择实验，就是因为我们可以在光子已经通过半反半透镜1之后，再决定是否放置半反半透镜2。也就是说，在光已经决定完选择波动性还是粒子性之后，我们再去放置半反半透镜2去观察它。

实验结果是，无论我们选择如何，光子都能提前知道我们的选择，会立即改变成相应的状态。这个实验费解之处在于，观察者现在的行为可以决定已经发生的事情。这一结论与传统的人类世界观相违背。

比如：

实验3、就在光子即将到达探测器之前的千钧一发之际，以迅雷不及掩耳盗铃之势，迅速地像实验2那样增加一个半透镜。那么这样一来，光将会以怎样的形式呈现呢？如果按照刚才的假说，也就是光的性质事先取决于实验装置的安排，那么在这个实验中，光将以粒子的形式呈现，不过惠勒却认为，由于中途添加半透镜这一操作，光将以波的形式呈现，肯定是探测器B检测到光，而探测器A什么也没发现，也就是说，光会在中途改变主意。

那么结果究竟会如何呢？由于这个实验难度极大，所以直到1987年，才由法国实验物理学家阿兰.阿佩斯得以完成，最后的实验结果，证实了惠勒的预言，再度在全球引发轰动。

实验4、不过这还不算完，刚才是放置半透镜使得光中途改变了主意，从光子变成了光波，那么我们能不能做到，使得光本来是以波的形式出发，然后中途改变主意变成光子了呢？既然光是以波的形式出发，也就是说，一开始的时候我们采用的是实验2的装置，然后在光波出发之后的千钧一发之际，还是以迅雷不及掩耳盗铃之势，迅速地在第一个半透镜和镜子B之间放置一块挡板，挡住光在这条路上的行进路径，这样一来，光波便只能走从半透镜到镜子A之间的路径，通过镜子A的反射后，光波来到了第二块半透镜，惠勒认为，在这个实验中，光波的干涉将会消失，探测器A和B将各有50%的几率检测到光信号，也就是说，通过后来这一添加挡板的操作，本来是以波的形式出发的光，在中途改变了主意重新变成了粒子。这一实验在后来同样通过实验物理学家的操作得以证实。

这下问题就来了，问题出在哪呢？我们以实验3来做一下说明，在没有插入新的半透镜之前，光应该是以光子的形式出发的，难到光在行进途中忽然发现多了一个半透镜，从而瞬时从粒子变成了波，并发生了干涉吗？或者说是时光发生了倒流，光发现装置变了，然后以光波的身份重新出发了吗？它究竟是怎样做到这一点的呢？这就是惠勒延迟选择实验的核心问题所在。

1982年，物理学家又对惠勒的实验进行了升级，这就是著名的“量子擦除实验”，我们可以将其视作惠勒延迟选择实验的衍生。在该实验中，实验装置基本上还是差不多的，不过这次又增加了几个东西，首先是在第一面半透镜与镜子B之间增加了一个“标志器”，其次是在第二个半透镜与两个探测器之间的路径上，分别添加一个“擦除器”。标志器的作用是把光子标记上偏振信息，而擦除器的作用则是去掉光的偏振信息。

可以发现，如果把标志器和擦除器都去掉的话，就变成了实验2的装置，光将以波的形式呈现，并始终被一个探测器检测到。现在我们在路径2上把标志器给装上，实验结果显示，如果只有标志器而没有擦除器的话，干涉就会消失。这完全符合我们的预测，因为如果只有标识器，那么从路径2经过的光子就会带有偏振信息，从而无法和路径1的光波发生干涉。

不过令人震惊的是，如果标识器和两个擦除器同时存在，那么干涉就会再次出现。这就邪了门了，两个擦除器都位于第二块半透镜的后边，如果位于半透镜的前边倒是没问题，因为在前边的话，擦除器就可以发挥作用，消除光的偏振信息，从而在第二块半透镜上实现干涉。但问题就出在两个擦除器实际上是位于第二块半透镜的后边，因为光波如果要实现干涉的话，它只能借助第二块半透镜来实现，但问题是现在已经过了第二块半透镜了，就像刚才只有标志器那样，光波本来应该无法实现干涉，但却因为加了个擦除器而继续干涉，这就实在是太不可思议了。

对于产生这种现象的本质原因，直到今天仍然没有合理的解释，而基于微观粒子的各种实验，使得量子力学至今已经发展到了很深的地步，并且形成了基本粒子物理标准模型。但是，这些成果只是实现了数学模型和实验结果之间的完美契合，并不能在根本上解释宏微观世界差距如此之大的本质原因。

这些神奇现象的本质原因到底是什么？

这些微观物理现象，直接说明我们这个世界的物质并不是传统意义上的客观存在，更严谨的说，在我们所处的宇宙，至少人类的意识是能够对微观物质的状态产生影响的。

人类的意识对这个宇宙的影响能达到多大？是否在宏观世界也是如此呢？如果能影响宏观世界，是否当人们看月亮的时候，它就一瞬间确定的呈现在那里，当人们不看它的时候，月亮就只是一团概率波在“后台运行”呢？而如果人类不能影响宏观世界，也就是说宏观世界是客观存在的，那么从微观到宏观，我们的意识能影响到的临界点又在哪里呢？

是否只有人类的意识观察才能影响到微观粒子的状态？猫狗鱼虫，花草树木是否可以呢？如果猫狗可以而花草不可以，那之间的界限在哪里呢？区别的关键又是什么呢？

可能没看懂，没关系，关于这个实验更通俗的解释，还可以这样来说：光子双缝实验的光子似乎是能知道我们是不是在观察，然后选择怎么穿过细缝。

那我们就延迟观察：在光子穿过缝隙之前先不观察，到它穿过之后再决定要不要观察，这样光子穿过细缝的时候就无法确定人类会不会观察了，我们不就可以准确的知道光子是怎么穿过细缝的了？

但这个惠勒延迟实验的结果是： 即使我们延迟观察，在光子子穿过细缝之后再进行观察，光子还是呈现粒子性（只通过一条细缝）；不进行观察，光子依然呈现干涉条纹（一般认为同时通过两条细缝）。也就是说，光子仍旧能够知道我们是不是在观察，然后选择该怎么穿过细缝。

换句话说，就是我们现在的选择（观测行为）改变了光子过去的“选择”。也就是认为光子穿过细缝后，再重新选择如何穿过细缝。也就是说，我们可以在事情已经发生之后再来决定它应该怎么发生——无论是否事情的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定！由此导出了一个匪夷所思的结论：并非是之前发生的事情决定了之后发生的事情，而是之后发生的事情决定了之前发生的事情。

当然你也可以这么理解：光子似乎拥有了预知未来的能力，抑或是未来的结果决定了过去的行为。也就是说，光在出发的时候，似乎就已经预知了后来将要发生的事情，从而决定自己以怎样的姿态出发。

无论如何，我们知道，因果律与时间箭头的方向，是我们这个世界得以存在的根基，所谓有因必有果，而且在时间箭头的方向上，因一定发生在果之前，所谓前因后果。但惠勒延迟选择实验，无疑对世界的根基发起了强有力的挑战，也正是缘于这个原因，很多人对延迟选择实验的结果感到细思恐极，认为世界的根基不复存在，既然因果都可以发生倒置，我们人生的努力还有什么意义，一切已经注定，或是一场失败，一场悲剧，或是一场喜剧，一场完美。总之，这一结果决定了我此时此刻的努力，所有一切的过程也不过是为这一结果而服务的。

这就如同我早上做过的那一场梦一样，假如我看到了那姑娘的脸，那会是谁的脸呢？会是思虹吗？还是我根本不认识的一个人的脸？会不会是---张太太的脸！？