双缝干涉实验中，单个光子是通过左缝还是右缝？

1801年，英国物理学家托马斯·杨做了一个著名的双缝干涉实验，证明了光具有波的干涉现象。万万没有想到，这个实验在诞生的 100 多年后，却在物理学江湖掀起了轩然大波。费曼评价说：双缝实验中包含了量子力学的所有秘密。

首先，让我们来了解一下波的干涉现象。所谓干涉，就是波峰与波峰相遇的那个瞬间，波峰会变得更高，波峰与波谷相遇的瞬间，会互相抵消。光波在通过双缝之后，就相当于从一个波源变成了两个波源，于是两个波源发出来的波就会发生干涉现象。波峰相遇就变得更明亮，波峰与波谷相遇就会变暗，从而在屏幕后面形成明暗相间的条纹。

在当时，一些物理学家对于光既是粒子又是波这件事情感到十分的荒谬，有人提问：“在双缝干涉实验中，单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢？”

这个问题不得了，一传十，十传百，很快就像病毒一样传染了所有的物理学家，他们陷入了苦苦的思索中。

假如我们把一束光看成是无数个小球组成的，先在平面上开一条缝，实验结果是这样：

一束光通过一条狭缝照在后面的屏幕上，会形成一片光亮区域。光子根据概率分布在屏幕上，离中心越近，光子分布越密集。这个现象不难理解。

但是，一旦我们在那条狭缝的边上再开一条狭缝，情况马上会变得很神奇：光子就像一支训练有素的军队，排成了整整齐齐的队形。

问题来了：单个光子是怎么知道前面是一条缝还是两条缝的呢？把这个问题问得更简洁一点，就是：单个光子到底通过了左缝还是右缝呢？

玻尔认为，这个问题本身不成立，光子既不是通过左缝，也不是通过右缝，而是同时通过了左缝和右缝！

这个回答真是让人莫名其妙。不出意外，全世界的大多数物理学家都群起而攻之，爱因斯坦甚至说玻尔丢掉了最基本的理性思想。

难道没有办法用实验来检测光子的运动路径吗？非常困难。试想一下，我们为什么能“看到”？原因在于物体发射或反射出无数的光子，这些光子在我们的视网膜上成像，所以被我们“看”到。但如果我们要观测的对象就是光子本身，那麻烦可就大了。

好消息是，物理学家发现：一束电子流跟光一样具备波粒二象性。要记录和测量电子就要比测量光子容易得多了，因为电子不但有质量，而且带电。我们大可以在双缝中各安装一个仪器，测量电子有没有通过这道狭缝。

然而，实验结果再次让物理学家们大跌眼镜：一旦在狭缝上装了记录仪，他们确实可以测量到电子通过了某条狭缝；但怪异的是，一旦电子被测量到了，双缝干涉条纹也就消失了，如果不去测量，双缝条纹又会神奇地出现。这事实在是太怪异了，物理学家们怎么也想不通，电子的行为怎么还跟测量有关？

看到这个结果，玻尔却乐坏了：这证明了他的不确定性原理是正确的——电子弥漫在整个运动路径上，只有当我们去测量它的时候，它才会聚拢为一个点，如果不去测量，它就是一束波。

通过这个故事，你会发现，科学家们总是在大胆假设，小心求证，科学上的很多重大发现，都源于科学家们对常规思维的突破。天才的不确定性原理，为量子力学大厦打下了根基。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司