內(nèi)容主要來自量子力學(xué)科普書《見微知著》
量子力學(xué)的經(jīng)典電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了粒子具有波粒二象性，是量子力學(xué)迄今為止最重要的實(shí)驗(yàn)擂煞，讓我們一起來看一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)贸宏。
一磕仅、電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)介紹
1、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
結(jié)論一：當(dāng)單個(gè)電子一個(gè)一個(gè)通過雙縫后會(huì)形成干涉鸵荠，說明單個(gè)電子有波屬性冕茅。
結(jié)論二：當(dāng)觀測(cè)電子時(shí)，干涉消失，表現(xiàn)為粒子屬性姨伤。
2哨坪、實(shí)驗(yàn)介紹
如圖所示，費(fèi)恩曼設(shè)想的理想單電子干涉示意圖姜挺。最左側(cè)為電子槍齿税，1和2為兩條狹縫。當(dāng)只開啟縫1或者縫2時(shí)炊豪，電子穿過狹縫打到后面的接收屏上的分布曲線分別是P1和P2凌箕，當(dāng)兩條縫都開啟時(shí)，接收屏上電子的分布曲線不是P1和P2簡單的相加词渤，而是如最后一個(gè)圖片下面所標(biāo)注的公式牵舱。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)最令人不可思議的，是當(dāng)兩條縫開啟缺虐，電子槍單個(gè)射出電子芜壁，其間間隔足夠長的時(shí)間，最后得到的電子分布依然如上圖所示高氮，好像是先到的電子“規(guī)定”后到的電子的行為慧妄。
如果覺得上述說明不足以理解，請(qǐng)看下面進(jìn)一步的說明剪芍。
3塞淹、對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步說明
3.1 宏觀世界的粒子不發(fā)生干涉
在宏觀世界中，以玻璃球?yàn)槔锕Ｎ覀冏尣Ａ蛏溥^開了一道縫的擋板饱普，大家知道，玻璃球會(huì)在后墻留下的痕跡状共，是一條線套耕。射過開了兩條縫隙的擋板，在后墻也是兩條線峡继。如下圖冯袍。
3.2 宏觀世界的波子發(fā)生干涉
當(dāng)把玻璃球換成水波的時(shí)候，開一條縫碾牌，在后墻上也會(huì)出現(xiàn)一條線颠猴。開了兩條縫的，就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋小染。如下圖翘瓮。
3.3 量子世界的粒子發(fā)生了波才能有的干涉
那么量子世界是咋樣的呢？將玻璃球換成電子裤翩，通過一條縫隙時(shí)候资盅，后墻上只有一條線调榄。如下圖。
通過兩條縫隙時(shí)候呵扛，后墻上出現(xiàn)干涉條紋每庆。科學(xué)家在想今穿，這么小的電子是如何出現(xiàn)干涉條紋的缤灵。他們?cè)O(shè)計(jì)了單電子干涉實(shí)驗(yàn)。讓一個(gè)電子通過一條縫隙蓝晒，后墻也只出現(xiàn)一條線腮出。可是讓人奇怪的是芝薇，當(dāng)開了兩條縫隙時(shí)候胚嘲，竟然出現(xiàn)了干涉條紋現(xiàn)象。如下圖洛二。
這該怎么解釋呢馋劈？明明電子一個(gè)個(gè)射過雙縫的。怎么還出現(xiàn)了干涉條紋晾嘶，難道一個(gè)電子同時(shí)穿過了兩條縫隙妓雾？ 如下圖。
3.4 電子被觀測(cè)時(shí)干涉現(xiàn)像消失垒迂，表現(xiàn)出粒子性
更讓人不解的是械姻，當(dāng)用攝像機(jī)試圖看著電子的時(shí)候，干涉條紋竟然消失了娇斑。不看的時(shí)候策添，干涉條紋又出現(xiàn)了材部。 觀測(cè)竟然也能影響電子行為毫缆？ 它知道我們?cè)诳此?如下圖。
這就是電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)乐导，所以費(fèi)曼說：“電子雙縫實(shí)驗(yàn)是量子力學(xué)的中心區(qū)域苦丁，研究量子力學(xué)，這個(gè)問題不可避免物臂⊥”任何想要重建量子力學(xué)的人，也不可能避開這個(gè)問題棵磷。
二蛾狗、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論一的思考
結(jié)論一：當(dāng)單個(gè)電子一個(gè)一個(gè)通過雙縫后會(huì)形成干涉，說明單個(gè)電子有波屬性仪媒。
問題1：一個(gè)電子可以發(fā)生干涉條紋現(xiàn)象嗎沉桌？
答案：一個(gè)電子可以自相互作用發(fā)生干涉，但一個(gè)電子的干涉可以忽略不計(jì)，也就是你觀測(cè)不到留凭。這是量變到質(zhì)變的認(rèn)識(shí)佃扼。
這意味著對(duì)電子雙縫干涉條紋現(xiàn)象的研究是群體行為而非個(gè)體行為。
問題2：一個(gè)電子會(huì)同時(shí)通過兩條縫隙嗎蔼夜？
答案：電子不會(huì)同時(shí)通過兩條縫隙兼耀。
大多數(shù)相信它可以同時(shí)穿過兩條縫隙的人，都會(huì)拿高維度空間來解釋求冷，關(guān)于平行宇宙瘤运，多宇宙，高維度空間等未經(jīng)證實(shí)的理論遵倦，在此不討論尽超。
問題3：實(shí)驗(yàn)中一個(gè)縫隙不會(huì)產(chǎn)生干涉條紋意味著什么？
答案：說明了兩條縫隙對(duì)產(chǎn)生干涉的必要性梧躺，也即說明了電子干涉和光的干涉現(xiàn)象沒有本質(zhì)區(qū)別似谁。
單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)電子是一個(gè)一個(gè)間隔發(fā)出的，而經(jīng)典的光干涉實(shí)驗(yàn)發(fā)出的是一束光而不是單顆光子掠哥，在這點(diǎn)上它們是有區(qū)別的巩踏。但就干涉而言，它們的本質(zhì)是一樣的续搀。
問題4：單電子是波還是粒子塞琼？
即然光的干涉和電子干涉本質(zhì)是一樣，那么問題就轉(zhuǎn)化為單電子是波還是粒子禁舷？
答案：單電子具有波的性質(zhì)彪杉，通過自相互作用，發(fā)生干涉牵咙。（見本文第四部分的兩個(gè)新聞證明）
就干涉而言派近，一定要是波才能行，這是前提條件洁桌。單電子具有波的性質(zhì)意味著渴丸，可以用經(jīng)典的光的波動(dòng)理論來描述電子雙縫實(shí)驗(yàn)，這樣就不用考慮它究竟是通過哪個(gè)縫隙的問題了另凌，因?yàn)橥ㄟ^哪個(gè)都可以自相互作用發(fā)生干涉谱轨。就好像一個(gè)人跳格子，左一下吠谢，右一下土童，這樣就留下了干涉條紋。
問題5：既然一個(gè)光子或電子可以通過自相互作用干涉工坊，那么為什么還要開兩條縫隙献汗？一條為什么不行错沃？
答案：因?yàn)椴▌?dòng)關(guān)系，我們必須要用惠更斯和菲涅爾的光的波動(dòng)理論來解釋雀瓢。也就是波動(dòng)“包絡(luò)面”“次波”的概念的來理解枢析。
三、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論二的思考
結(jié)論二：當(dāng)觀測(cè)電子時(shí)刃麸，干涉消失醒叁，表現(xiàn)為粒子屬性。
問題1：觀測(cè)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響是因?yàn)槿说囊庾R(shí)么泊业？
答案：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的不是人的意識(shí)把沼。
如果是因?yàn)橐庾R(shí)，那么人的觀測(cè)和物體的觀測(cè)應(yīng)該有不同的結(jié)果吁伺，因?yàn)槲矬w沒有意識(shí)饮睬。但通過公開的實(shí)驗(yàn)信息知道，無論是實(shí)驗(yàn)者自己看還是攝像機(jī)測(cè)篮奄，干涉條紋均不會(huì)出現(xiàn)捆愁。
問題2：電子具有自我意識(shí)從而可以智能識(shí)別觀測(cè)體么？
答案：電子或者光子不具有自我選擇意識(shí)窟却。（見本文第四部分的新聞一證明）
問題3：那么為什么觀測(cè)行為會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果昼丑？
答案（未經(jīng)實(shí)驗(yàn)的推測(cè)）：目前能想到的合理自洽的解釋是，觀測(cè)行為影響結(jié)果的原因是“有序的定向觀測(cè)”影響夸赫。
在實(shí)驗(yàn)中菩帝，每一個(gè)物體都可以通過輻射來“觀測(cè)”電子，但這些觀測(cè)是無序并混亂的〔缤龋現(xiàn)在有一個(gè)開著的攝像機(jī)呼奢，對(duì)著雙縫觀測(cè)，形成一個(gè)有序的“定向觀測(cè)”切平，影響到了電子的干涉條紋的形成握础。“定向觀測(cè)”觀測(cè)取消揭绑，干涉條紋又出現(xiàn)弓候。（如果以開著的攝像機(jī)因?yàn)橥姸写艌?chǎng)來解釋其與其他物體的不同也是說不通的郎哭，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室通電的設(shè)備不僅有攝像機(jī)他匪。）
至于影響的機(jī)制，通過場(chǎng)的方式來破壞電子的干涉條紋形成的可能性比較大夸研。（可以通過建一個(gè)定向磁場(chǎng)來影響電子雙縫實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證邦蜜。）
對(duì)于觀察行為影響結(jié)果，可以這樣理解：一組“電子”水波亥至，向前走悼沈，遇到擋板的兩個(gè)縫隙贱迟，大家知道肯定要發(fā)生干涉條紋的。但這個(gè)時(shí)候絮供，水盆里突然掉入一塊石頭（觀測(cè)行為）衣吠，干擾了干涉條紋的形成，沒有這塊石頭壤靶，干涉條紋將會(huì)出現(xiàn)缚俏。
問題4：產(chǎn)生影響的定向觀測(cè)，距離有限制么贮乳？
假設(shè)在某大學(xué)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中做這個(gè)實(shí)驗(yàn)忧换，當(dāng)實(shí)驗(yàn)外有人看著這個(gè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)算觀測(cè)嗎？實(shí)驗(yàn)室是否隔絕了這樣的觀測(cè)向拆？
答案：觀測(cè)距離是有限制的亚茬。
目前是這樣的認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)外面的情況浓恳，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)刹缝，起不到觀測(cè)作用。這點(diǎn)可以用觀測(cè)行為發(fā)生作用需要達(dá)到一定的輻射能量強(qiáng)度來解釋颈将。
問題5：為什么經(jīng)典的光的干涉對(duì)于觀測(cè)行為不做反應(yīng)赞草？
只要光通過兩條縫隙的實(shí)驗(yàn)條件符合，干涉條紋就出現(xiàn)吆鹤，并不受觀測(cè)行為影響厨疙，但單電子卻不同，這是為何疑务？
答案：光束和一個(gè)電子的“穩(wěn)定性”不同沾凄，單個(gè)電子對(duì)觀測(cè)能量更加“敏感”。
影響的能量不足以影響到光束形成干涉條紋知允，但足以影響到電子的干涉條紋形成撒蟀。這就是量子力學(xué)與宏觀物理學(xué)的區(qū)別。
四温鸽、相關(guān)實(shí)驗(yàn)新聞
1保屯、新聞一：證實(shí)光子不具自我選擇意識(shí)，觀測(cè)到了光子的疊加態(tài)
1.1 新聞內(nèi)容
中科大新聞網(wǎng)：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組首次實(shí)現(xiàn)了量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)涤垫，制備出了粒子和波的疊加狀態(tài)姑尺，極大地豐富了人們對(duì)玻爾互補(bǔ)原理的理解。
研究成果作為封面文章發(fā)表在9月份的《自然-光子學(xué)》上蝠猬，英國著名量子物理學(xué)家Adesso教授和Girolami教授切蟋，在同期雜志的《新聞與觀察》欄目以《波-粒疊加》為題撰文，高度評(píng)價(jià)了這一研究成果：“量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)互補(bǔ)原理設(shè)定的傳統(tǒng)界限榆芦，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中展示光子可以在波動(dòng)和粒子兩種行為之間相干地振蕩”柄粹〈瘢《自然-物理》雜志也以《選擇的問題》為題在《研究高亮》欄目報(bào)道了該成果，評(píng)價(jià)該成果“重新定義了波粒二象性的概念”驻右。
量子實(shí)驗(yàn)裝置的引入什黑，使得人們可以從一個(gè)全新的視角來觀察世界，就好像給我們安上了一雙“量子的眼睛”堪夭，能夠看到經(jīng)典探測(cè)裝置觀察不到的物理現(xiàn)象兑凿。此項(xiàng)研究工作拓展和加深了人們對(duì)玻爾互補(bǔ)原理的理解，揭示了互補(bǔ)原理和疊加原理間的深層次關(guān)系茵瘾，也使得人們對(duì)“光是什么”這個(gè)縈繞千年的問題有了更進(jìn)一步的理解礼华。
該項(xiàng)研究受到科技部和國家自然科學(xué)基金委的資助。
1.2 分束器實(shí)驗(yàn)的缺限
光是什么拗秘？這是個(gè)古老的科學(xué)問題圣絮。三個(gè)世紀(jì)以來粒子和波的概念就一直是對(duì)立的，比如牛頓最初的粒子說和胡克及惠更斯的波動(dòng)說〉裰迹現(xiàn)在我們對(duì)光的理解可以歸結(jié)為玻爾的互補(bǔ)原理扮匠，即光具有波粒二象性，波動(dòng)性和粒子性這兩種屬性即對(duì)立又互補(bǔ)凡涩，一個(gè)實(shí)驗(yàn)中具體展示哪種屬性取決于實(shí)驗(yàn)裝置棒搜。比如在由兩塊分束器構(gòu)成的馬赫-曾德干涉儀中，單個(gè)光子被第一個(gè)分束器分到兩個(gè)路徑上活箕，在第二個(gè)分束器所在位置重合力麸。如果我們選擇加入第二個(gè)分束器，則構(gòu)成干涉儀育韩，有干涉條紋克蚂，觀測(cè)到波動(dòng)性，反之如果我們選擇不加第二個(gè)分束器筋讨，則不能構(gòu)成干涉儀埃叭，沒有干涉條紋，觀測(cè)到的是粒子性悉罕。馬赫-曾德干涉實(shí)驗(yàn)是可以用量子力學(xué)解釋的赤屋。
然而存在一種隱變量理論認(rèn)為，光子是有自由意志的壁袄，在進(jìn)入干涉儀之前光子就察覺到有沒有第二個(gè)分束器类早，然后光子根據(jù)它察覺到的信息決定自己經(jīng)過第一個(gè)分束器的方式，從而展現(xiàn)粒子性或波動(dòng)性然想。
1.3 量子惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)
為了檢驗(yàn)這種隱變量理論和量子力學(xué)孰是孰非莺奔，玻爾的學(xué)生惠勒于1978年提出了著名的延遲選擇實(shí)驗(yàn)欣范，即實(shí)驗(yàn)者延遲到光子已經(jīng)完全經(jīng)過第一個(gè)分束器之后再選擇加不加第二個(gè)分束器变泄。在經(jīng)典的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)中令哟，探測(cè)光的波動(dòng)性和粒子性的實(shí)驗(yàn)裝置，即加與不加第二個(gè)分束器妨蛹，是相互排斥的屏富，因此光的波動(dòng)性和粒子性不能夠同時(shí)展現(xiàn)出來。
李傳鋒研究組設(shè)計(jì)出了量子實(shí)驗(yàn)裝置蛙卤，巧妙地利用偏振比特的輔助來控制測(cè)量裝置狠半，使得測(cè)量裝置處于探測(cè)波動(dòng)性與探測(cè)粒子性的兩種對(duì)立狀態(tài)的量子疊加態(tài)上。他們利用自組織量子點(diǎn)產(chǎn)生的確定性單光子源作為輸入颤难，實(shí)現(xiàn)了量子的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)神年，排除了光子有自由意志的假設(shè)，并首次觀測(cè)到了光的波動(dòng)態(tài)與粒子態(tài)的量子疊加狀態(tài)行嗤。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示已日，處于波粒疊加態(tài)上的光子，既不象普通的粒子態(tài)那樣沒有干涉條紋栅屏，也不象普通的波動(dòng)態(tài)那樣表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的正弦形干涉條紋飘千，而是展現(xiàn)出鋸齒形條紋這樣一種“非波非粒，亦波亦琳祸ǎ”的表現(xiàn)形式护奈。
2、新聞二：證實(shí)光同時(shí)表現(xiàn)出波粒二象性
2.1 新聞內(nèi)容
2015年澳大利亞一個(gè)研究小組也獲得光同時(shí)表現(xiàn)出波粒二象性的單個(gè)快照哥纫，新聞也摘錄如下：據(jù)澳大利亞spacedaily網(wǎng)站2015年3月3日?qǐng)?bào)道霉旗，量子力學(xué)告訴我們：光可以同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性。然而蛀骇，人類迄今為止還從未在實(shí)驗(yàn)上同時(shí)拍攝到光的波粒二象性奖慌；最多我們能看到光波動(dòng)性和或粒子性，但總是在不同時(shí)間松靡。
通過采用完全不同以往的實(shí)驗(yàn)方法简僧，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的科學(xué)家們第一次從實(shí)驗(yàn)上同時(shí)拍攝到光波粒二象性的快照。這項(xiàng)突破性研究成果發(fā)表在《自然通訊》雜志上雕欺。
Fabrizio Carbone說：“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有史以來第一次證明岛马，我們可以直接拍攝量子力學(xué)及其矛盾屬性⊥懒校”
此外啦逆，這項(xiàng)開創(chuàng)性工作的重要性在于它可以擴(kuò)展基礎(chǔ)科學(xué)到未來技術(shù)。正如Carbone解釋說：“能夠像這樣在納米尺度對(duì)量子現(xiàn)象進(jìn)行成像和控制笛洛，開辟了邁向量子計(jì)算的新途徑夏志。”
2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
當(dāng)紫外光線照射金屬表面時(shí)苛让，它導(dǎo)致電子發(fā)射沟蔑。阿爾伯特 愛因斯坦這樣解釋“光電效應(yīng)”：光原本認(rèn)為僅僅是一種波湿诊，其實(shí)它也是一束粒子流。雖然各種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功觀察到了光的波動(dòng)性和粒子性行為瘦材，但是它們從未被同時(shí)觀測(cè)到厅须。
EPFL的Fabrizio Carbone領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，利用一個(gè)巧妙的方法完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：使用電子來使光成像食棕。研究人員有史以來第一次朗和，獲得光同時(shí)表現(xiàn)出波粒二象性的單個(gè)快照。
實(shí)驗(yàn)這樣設(shè)置的： 一束激光脈沖照射在微小的金屬納米線上簿晓。激光使納米線中的帶電粒子能量增加晴玖，引起它們振動(dòng)琅坡。
光沿著這根小小的納米線在兩個(gè)可能的方向上傳輸脆贵，就像公速路上的汽車攀例。當(dāng)沿相反方向傳輸?shù)墓獠ㄏ嘤鰰r(shí)，它們會(huì)形成駐波（stand wave）皿曲。這里唱逢，駐波成為實(shí)驗(yàn)的光源，在納米線周圍輻射屋休。
實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于：科學(xué)家們?cè)诩{米線附近發(fā)射一束電子流坞古，利用它們來使光的駐波成像。因?yàn)殡娮优c限制在納米線中的光相互作用劫樟，因此痪枫，電子會(huì)加速或減速。利用超快顯微鏡對(duì)電子速度發(fā)生變化的位置成像叠艳，Carbon的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以使這個(gè)作為光波動(dòng)性指紋的駐波可視化奶陈。
這種現(xiàn)象說明光的波動(dòng)性，同時(shí)它也證明了光的粒子性附较。當(dāng)電子在很接近光駐波的地方傳輸時(shí)吃粒，它們與光粒子，即光子發(fā)生碰撞拒课。
如上文所述徐勃，這會(huì)影響電子的速度，使它們移動(dòng)得更快或更慢早像。這種速度變化表現(xiàn)為電子和光子之間能量“包”（量子）的交換僻肖。這些能量包之間的交換，表明納米線中的光是一種粒子卢鹦。
