1801年，英國物理學家托馬斯·楊做了一個著名的雙縫干涉實驗，證明了光具有波的干涉現象。萬萬沒有想到，這個實驗在誕生的 100 多年后，卻在物理學江湖掀起了軒然大波。費曼評價說：雙縫實驗中包含了量子力學的所有秘密。

首先，讓我們來了解一下波的干涉現象。所謂干涉，就是波峰與波峰相遇的那個瞬間，波峰會變得更高，波峰與波谷相遇的瞬間，會互相抵消。光波在通過雙縫之后，就相當于從一個波源變成了兩個波源，于是兩個波源發出來的波就會發生干涉現象。波峰相遇就變得更明亮，波峰與波谷相遇就會變暗，從而在屏幕后面形成明暗相間的條紋。

在當時，一些物理學家對于光既是粒子又是波這件事情感到十分的荒謬，有人提問：“在雙縫干涉實驗中，單個光子到底是通過了左縫還是右縫呢？”

這個問題不得了，一傳十，十傳百，很快就像病毒一樣傳染了所有的物理學家，他們陷入了苦苦的思索中。

假如我們把一束光看成是無數個小球組成的，先在平面上開一條縫，實驗結果是這樣：

一束光通過一條狹縫照在后面的屏幕上，會形成一片光亮區域。光子根據概率分布在屏幕上，離中心越近，光子分布越密集。這個現象不難理解。

但是，一旦我們在那條狹縫的邊上再開一條狹縫，情況馬上會變得很神奇：光子就像一支訓練有素的軍隊，排成了整整齊齊的隊形。

問題來了：單個光子是怎么知道前面是一條縫還是兩條縫的呢？把這個問題問得更簡潔一點，就是：單個光子到底通過了左縫還是右縫呢？

玻爾認為，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！

這個回答真是讓人莫名其妙。不出意外，全世界的大多數物理學家都群起而攻之，愛因斯坦甚至說玻爾丟掉了最基本的理性思想。

難道沒有辦法用實驗來檢測光子的運動路徑嗎？非常困難。試想一下，我們為什么能“看到”？原因在于物體發射或反射出無數的光子，這些光子在我們的視網膜上成像，所以被我們“看”到。但如果我們要觀測的對象就是光子本身，那麻煩可就大了。

好消息是，物理學家發現：一束電子流跟光一樣具備波粒二象性。要記錄和測量電子就要比測量光子容易得多了，因為電子不但有質量，而且帶電。我們大可以在雙縫中各安裝一個儀器，測量電子有沒有通過這道狹縫。

然而，實驗結果再次讓物理學家們大跌眼鏡：一旦在狹縫上裝了記錄儀，他們確實可以測量到電子通過了某條狹縫；但怪異的是，一旦電子被測量到了，雙縫干涉條紋也就消失了，如果不去測量，雙縫條紋又會神奇地出現。這事實在是太怪異了，物理學家們怎么也想不通，電子的行為怎么還跟測量有關？

看到這個結果，玻爾卻樂壞了：這證明了他的不確定性原理是正確的——電子彌漫在整個運動路徑上，只有當我們去測量它的時候，它才會聚攏為一個點，如果不去測量，它就是一束波。

通過這個故事，你會發現，科學家們總是在大膽假設，小心求證，科學上的很多重大發現，都源于科學家們對常規思維的突破。天才的不確定性原理，為量子力學大廈打下了根基。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：科學聲音

審核：北交大物理實驗室高級工程師 周曉亮

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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