可能你早已在各種營銷號當中聽過“量子力學”這個詞，甚至建立起了這樣的感覺——“量子力學=詐騙”。但在真正專攻物理專業(yè)的人看來，有的時候“量子力學”的一些奇妙實驗現(xiàn)象，讓人不免得懷疑這個世界的真實性，每當深夜細細思索，都不由讓人有種寒毛乍立的感覺。
下面我來介紹一個在量子力學當中困惑了物理學界將幾百年之久的恐怖實驗——電子的雙縫干涉實驗。而要講解這個問題，不得不先提到一個天才的物理學家——托馬斯·楊。他設(shè)計了光的楊氏雙縫干涉實驗，被譽為物理史上最美的實驗之一。
早在17~18世紀時期，人們對于光的認識普遍來源于牛頓的光微粒學說——把光看成一個一個的粒子。當光碰到介質(zhì)的分界面時，就會如同小球撞到桌面一樣，按照同角度反彈出去（即光的反射）。
但在物理學界，對于光本質(zhì)的爭論（微粒學說和波動學說兩大流派），卻是一場持續(xù)千年的混戰(zhàn)。甚至可以說，人類對于光的認識過程，就是整個物理史的發(fā)展軌跡（這個有機會我會分篇寫寫，整個歷史可能幾天幾夜都講不完）。19世紀初，一位年輕的英國物理學家——托馬斯·楊設(shè)計了一個精妙的實驗。他用光束照射兩條相互平行的狹縫，如果按照微粒學說的觀點，應該只會呈現(xiàn)兩條豎的亮條紋。而實際中，顯示屏上卻出現(xiàn)了一條條明暗相間的條紋（這個實驗我們會在高二物理的時候?qū)W到）。隨后，托馬斯·楊發(fā)表了相關(guān)的論文，并用波的干涉原理完美地解釋了這一現(xiàn)象，也從而證明了光是一種波動（只有波動才能發(fā)生干涉，比如聲波、水波），從此，光的波動學說逐漸稱為主流。
但好景不長，20世紀初，一個物理學界聞名遐邇的“光電效應”使得“波動學說”再次宣告破產(chǎn)，甚至顛覆了整個經(jīng)典物理學（以后細說）。愛因斯坦站了出來，引入了“量子”的概念，用“光子學說”成功解釋了“光電效應”——光是一份一份的能量子。與波動學說和微粒學說都不同，“光子學說”既承認了光是一種“波”，也同樣承認了光是一種“粒子”，只是同一事物的觀測角度不同決定了不同的性質(zhì)——“波粒二象性”。而同一時期，年輕的博士生德布羅意憑借著自然界物理規(guī)律不可思議的對稱性，在博士論文中寫道：“既然光是波粒二象性的，為什么實物粒子不行呢？”。借此，德布羅意提出了著名的“物質(zhì)波”概念，認為所有看到物質(zhì)（人也一樣）都有其對應的波長，且動量越大，波長越?。ㄖ徊贿^可以通過計算得出，眼睛能看到得到的宏觀物體波長小到無法觀測）。
德布羅意
這里就提到了我們所說的電子。電子毫無疑問是一個實物粒子，其定向移動即為電流。那么按照德布羅意的理論，電子由于其質(zhì)量微小，其動量也相應來說非常小，換言之其波長能大到可被觀測，事實上人們也確實在近代物理學實驗中觀測到了電子的波動性（干涉和衍射）。
有了上述的鋪墊，下面我們一起來思考電子的雙縫干涉實驗。
第一步：我們將一個電子發(fā)射源連續(xù)地發(fā)出電子，將狹縫b和c都處于打開狀態(tài)，屏幕上會得到什么結(jié)果呢？
實驗結(jié)果：如大家所料，會跟光的干涉一樣，出現(xiàn)電子的雙縫干涉現(xiàn)象（屏幕上電子會形成疏密相等間隔的條紋，某些特定的區(qū)域會聚集大量電子，另外一些區(qū)域則基本不會聚集電子）。物理學家對此解釋為電子和電子之間存在著看不見的波動場，相互影響了對方的運動。
為了證明是電子之間的相互影響導致了奇妙的干涉現(xiàn)象，物理學家又進行了第二步實驗——如果猜想正確，那么只要控制一次只射出一個電子，那就應該不會發(fā)生干涉現(xiàn)象。
第二步：一次只射出一個電子，進行雙縫實驗。
電子逐一進入儀器，隨機通過雙縫。一個電子，兩個電子……幾百個電子，屏幕上電子的落點看起來雜亂無章，一點都沒有干涉條紋的影子，物理學家為自己的理論得到證實而徹夜歡呼慶祝。而醒來的第二天，忘了關(guān)閉儀器的物理學家突然驚呆了，當電子數(shù)目上升到幾萬個時，那個揮之不去的噩夢——干涉條紋又出現(xiàn)了！?。?/p>
事情變得破朔迷離了起來——電子到底是跟誰發(fā)生了相互作用，從而出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象呢？難道是自己跟自己？這就好比你自己一個人往前走，前面出現(xiàn)了兩個互不連通的門，而你通過的方式不是選擇其中一道，而是把自己劈成兩半，一分為二地通過！
實驗到這里還不算完。1974年，意大利物理學家梅里又進行了一次電子雙縫干涉實驗，只不過這一次，他往狹縫處安裝上了一個高清高速攝像頭，用以真實地觀測電子的運動情況，想要打破電子一分為二這種近乎荒唐的理論。接下來的第三步實驗，就像是打開了潘多拉魔盒一般，物理學家們也正由于這小小的好奇，觸摸到了深不見底的“恐怖”。
第三步：一次只射出一個電子，在其中一個狹縫處安裝一個攝像頭，再次進行雙縫實驗。
大家不妨猜測下，實驗結(jié)果是怎么樣的呢？（A．電子一分為二，形成干涉條紋；B．每個電子都從任意一個門出去，最終形成干涉條紋）
答案是：都不對！
物理學家發(fā)現(xiàn)，安裝了攝像頭之后，電子無論發(fā)射了幾萬個，還是幾十萬個，干涉條紋都不見了！只剩下兩個狹縫對應的僅僅兩條光斑嘲笑著人類的無知。而且這個實驗不管是誰來做，什么環(huán)境下來做，答案都是一致的。
電子就像是有意識存在，人們看著它時，它就乖乖地按照直線行走，不再出現(xiàn)干涉條紋；而當人們撤去攝像頭再次實驗，該死的干涉條紋又重新出現(xiàn)了！
不甘心的物理學家最后還想掙扎一下，做了最為詭異的最后一次實驗。
第四步：一次只射出一個電子，在其中一個狹縫處安裝一個攝像頭，當電子通過某一個狹縫后，還沒到達屏幕前的瞬間，立刻撤去攝像頭，再次進行雙縫實驗。
大家覺得會發(fā)生什么？
按理說，只要電子通過了狹縫，所有可能的相互作用都已經(jīng)完成，有攝像頭的前提下是不能形成條紋的，只要電子還沒到達屏幕前，飛快地撤去攝像頭，應該呈現(xiàn)的還是沒有干涉條紋的狀態(tài)。
答案是：詭異的干涉條紋仍然出現(xiàn)了！?。∵@說明了什么樣一件可怕的事實呢？——發(fā)生在電子穿過狹縫后，未到達屏幕前的拆裝攝像頭行為，可以反過來影響電子的“過去”，即穿過狹縫前的選擇！
每每想到該實驗，我總是感到人類自身的渺小。無怪乎牛頓、愛因斯坦這樣的科學大牛，晚年時都是信教徒，科學的盡頭到底是什么呢？可能只有永生的人才能看到吧。
