（物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的互相作用|雙縫實(shí)驗(yàn)）
在微觀世界里，粒子的行為和我們在宏觀世界見到的物質(zhì)的行為是不一樣的，也有違我們的直覺和常識。量子熱學(xué)為我們研究微觀世界打開了一道房門，它用完美的物理解釋了微觀化學(xué)世界好多奇特的現(xiàn)象。在量子熱學(xué)誕生后近一百年的時(shí)間里，始終存在著論戰(zhàn)；科學(xué)家也仍然在設(shè)計(jì)各類實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證關(guān)于粒子奇特行為的理論，闡明量子世界的本質(zhì)，其中最有影響力的實(shí)驗(yàn)就是單電子雙縫實(shí)驗(yàn)。
精典的雙縫實(shí)驗(yàn)
在19世紀(jì)初葉，科學(xué)界對于光究竟是波還是粒子，存在涇渭分明的兩種觀點(diǎn)。
1801年，有一位年僅24歲的美國大夫，做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了科學(xué)界的震驚，為光的波動說提供了有力的證據(jù)。
托馬斯·楊
那位大夫叫托馬斯·楊，他做的實(shí)驗(yàn)叫楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。讓太陽光透過一個(gè)黑色的濾光鏡，再穿過一伸開了一個(gè)小孔的紙，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)比較集中的“點(diǎn)”光源；在紙旁邊再放第二張紙，在里面開了兩道平行的狹縫。
托馬斯·楊借助太陽光的雙縫實(shí)驗(yàn)裝置
托馬斯·楊覺得，假如光是粒子組成的，從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，會產(chǎn)生兩道白色。
然而，實(shí)際觀測到的是一系列明、暗交替的白色，這和海面上兩道漣漪相遇而產(chǎn)生的紋路一樣。干涉現(xiàn)象是波特有的，因而倘若出現(xiàn)了干涉白色，就證明了光是一種波。光波到了兩道狹縫處，產(chǎn)生了兩個(gè)波源。當(dāng)一側(cè)下來的波峰與右側(cè)下來的波峰相遇的時(shí)侯，強(qiáng)強(qiáng)疊加，都會顯得愈發(fā)明亮；而當(dāng)一側(cè)下來的波峰與右側(cè)下來的波谷相遇的時(shí)侯，互相抵消，都會變暗，因而在屏幕前面產(chǎn)生疏密相間的干涉白色。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，無可爭辯地證明了光是一種波。
兩列光波發(fā)生干涉，波峰、波谷互相疊加和互相抵消的示意圖
弱光的雙縫實(shí)驗(yàn)
楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)過后一百年，又有一位23歲的年青人重做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，又一次造成了學(xué)術(shù)界的震驚。
那位年青人叫泰勒，他當(dāng)時(shí)還是一位在讀研究生。
日本化學(xué)學(xué)家杰弗里·泰勒
他研究了愛因斯坦的光量子論文，接受了光是一種粒子的理論。他在光源后加了一層煙熏玻璃，致使光的硬度特別低，以至于可以把抵達(dá)雙縫的光看作是一個(gè)個(gè)光子。這個(gè)“弱光”雙縫實(shí)驗(yàn)，后來被剖析為單光子雙縫實(shí)驗(yàn)，好比用一把“光子槍”，把光子一個(gè)一個(gè)地朝著雙縫發(fā)射。請注意，這兒的細(xì)節(jié)和重點(diǎn)是：光子是“一個(gè)接著一個(gè)”發(fā)射的，中間是有時(shí)間間隔的（約幾個(gè)納秒），而不像楊氏實(shí)驗(yàn)里的光是仍然亮著的。由于是特別弱的光，要在感光屏幕上留下光影，須要很長的爆光時(shí)間，整個(gè)實(shí)驗(yàn)長達(dá)三個(gè)月。
入射光束的硬度增加到可以覺得在任何時(shí)間間隔內(nèi)，平均最多只有一個(gè)光子被發(fā)射下來，也叫單光子雙縫實(shí)驗(yàn)
根據(jù)光子的粒子特點(diǎn)，當(dāng)這種光子一個(gè)一個(gè)飛到雙縫前，有的被封住，而穿縫而過的光子，應(yīng)當(dāng)在前面的偵測屏幕上留下兩道痕跡。并且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出人預(yù)料，記錄出來的是類似于楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的干涉白色。
泰勒單光子雙縫實(shí)驗(yàn)中形成的干涉白色
明明是一個(gè)個(gè)發(fā)射出去的光子，如何會形成類似于波干涉白色現(xiàn)象的呢？
假如一個(gè)光粒子從前面的縫穿過，而前面一個(gè)光子從下邊的縫穿過，它們是先后隔開了幾個(gè)微秒，抵達(dá)屏幕不同的位置，既不同時(shí)也不同地，如何可能發(fā)生干涉？
莫非是光子在穿過空隙的時(shí)侯，“神奇”地一分為二，弄成了兩個(gè)帶有“波”特性的東西，自己和自己發(fā)生了干涉？
化學(xué)研究步入了窘境，一方面，科學(xué)家須要為光是波還是粒子找到身分定位；另一方面，還要研究這種波或粒子的存在狀態(tài)是如何的、怎么讓一個(gè)光子也能形成干涉。
量子熱學(xué)的解釋
1924年，德布羅意下來“打幫腔”了，他覺得光既是粒子又是波，具“波粒二象性”。除了光是這么，電子也是這么，所有的微觀粒子都是這么，都具波粒二象性。
1926年，為了描述微觀粒子的“波”的特點(diǎn)和微觀粒子的狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，天才的化學(xué)學(xué)家薛定諤研究出了一組波函數(shù)多項(xiàng)式—薛定諤多項(xiàng)式。通過解薛定諤等式，我們就可以得到“波函數(shù)”，也即得到微觀粒子系統(tǒng)的狀態(tài)。并且，薛定諤在發(fā)明這組多項(xiàng)式的時(shí)侯，并不清楚這個(gè)“波函數(shù)”到底在數(shù)學(xué)上是一個(gè)哪些樣的存在。
1926年，玻恩解釋了薛定諤等式的“波函數(shù)”對應(yīng)的數(shù)學(xué)意義。在玻恩看來，光子不是確鑿的粒子，而是某一時(shí)刻在某一點(diǎn)附近發(fā)覺粒子的機(jī)率；而無論德布羅意提出的“物質(zhì)波”還是薛定諤多項(xiàng)式中的波函數(shù)所描述的，都不像精典波（如水波）那樣代表哪些實(shí)在的數(shù)學(xué)量在空間分布的波動，而只不過是描畫粒子在空間的機(jī)率分布的機(jī)率波而已。
光子在穿過空隙的時(shí)侯，確實(shí)“神奇”地弄成了兩個(gè)帶有“波”特性的東西，而這個(gè)“波”既然是機(jī)率波，這么它就可以既出現(xiàn)在這一條縫，又出現(xiàn)在另一條縫，讓自己和自己發(fā)生了干涉—這夠神奇吧？
既然粒子的出現(xiàn)只是機(jī)率，這么我們能夠用檢測儀器來偵測微觀粒子在哪些地方呢？克拉科夫覺得，在我們檢測之前，微觀粒子既在這兒，也在那兒，以一定幾率存在。等到我們檢測時(shí)，粒子都會選擇一個(gè)單一結(jié)果表現(xiàn)下來。這也叫作“波函數(shù)坍縮”，這時(shí)粒子會決定它的位置！
不同能量狀態(tài)下氫原子中電子才能被觀測到的機(jī)率由色溫表示，圖中印亮的位置，電子在該位置被觀測到的機(jī)率就越高。這就是電子的波函數(shù)
假如我們把波函數(shù)稱作色子的話，這么“波函數(shù)坍縮”就是色子落地的時(shí)侯。這個(gè)“概率波”和“波函數(shù)坍縮”解釋，是量子熱學(xué)知名的“哥本哈根演繹”的重要部份。
玻恩的理論太過驚世駭俗，和人們常年以來產(chǎn)生的直覺相沖突，當(dāng)時(shí)并不被大部份化學(xué)學(xué)家理解和接受。因而，他直至1954年才獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。在近30年以后，你們才普遍承認(rèn)他的理論。
電子的雙縫實(shí)驗(yàn)
在“弱光”（單光子）雙縫實(shí)驗(yàn)過了50多年以后，化學(xué)學(xué)家費(fèi)曼在1961年提出了用電子來做雙縫實(shí)驗(yàn)。讓電子槍一個(gè)一個(gè)地發(fā)射電子，通過雙縫后，屏幕上會得到干涉白色。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)須要空隙和寬度在納米量級（10-9m），在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，只能是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。
日本化學(xué)學(xué)家費(fèi)曼和他的思想實(shí)驗(yàn)
日本科學(xué)家瓊森和他的電子束雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1961年，西班牙科學(xué)家瓊森將一束電子（注意是一束，而不是單個(gè)電子）加速到50KeV，讓其通過縫寬為a=5x10-5m、間隔為d=2x10-6m的雙縫，當(dāng)電子束通過雙縫撞擊到螢光屏?xí)r，發(fā)覺了干涉白色。這個(gè)實(shí)驗(yàn)類似于楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)的電子版。
1974年，西班牙科學(xué)家Merli、和Pozzi用“單電子”來實(shí)驗(yàn)，并用電子雙菱鏡來取代雙縫（注意不是雙縫）。讓電子有間隔地、一個(gè)一個(gè)發(fā)射出去。之后，在銀幕上記錄電子的位置。當(dāng)電子一個(gè)一個(gè)地累積上去的時(shí)侯，最終的圖象顯示了干涉白色。
日本科學(xué)家和她們的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果——隨著時(shí)間推移產(chǎn)生干涉白色
這個(gè)單電子的雙縫實(shí)驗(yàn)，在2002年被《物理世界》的讀者投票選為數(shù)學(xué)史上最美的實(shí)驗(yàn)（排行第一），而1801年的“原版”楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)排在第五。
而真正實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼提出的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)的，是科學(xué)家羅杰·巴赫（RogerBach）等人（2013年）。實(shí)驗(yàn)中的雙縫的長度為62納米，中心間隔272納米。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)狹縫都可以隨便機(jī)械式地打開和關(guān)掉，最重要的是，它具備了一次檢查一個(gè)電子的功能。
單電子的雙縫實(shí)驗(yàn)證明了量子熱學(xué)的正確性：
電子具備“波粒二象性”，既是粒子，又是波。
電子的位置和機(jī)率，由薛定諤的“波函數(shù)”方程決定。
我們對電子進(jìn)行觀察的時(shí)侯，“波函數(shù)坍縮”在屏幕上顯示為一個(gè)點(diǎn)的電子。
“少年時(shí)”《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的互相作用》截圖，圖下顯示宏觀和微觀不同物質(zhì)所發(fā)生的干涉和不干涉情況的比較
雙縫實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)迷思
后面我們談到了量子熱學(xué)“波函數(shù)坍縮”這個(gè)概念，也就是說一般微觀粒子既在這兒，也在那兒，位置不定，而當(dāng)我們檢測它時(shí)，粒子都會選擇呈現(xiàn)自己的準(zhǔn)確位置。
根據(jù)量子熱學(xué)的解釋，科學(xué)家提出了如下的思想實(shí)驗(yàn)：
假如在雙縫旁邊的上方，放一個(gè)光子偵測器雙縫干涉實(shí)驗(yàn)視頻，可以測量到并記錄從里面的空隙經(jīng)過的光子。此時(shí)，我們會得到讓人腦洞大開的結(jié)果：
首先，偵測器會記錄到有一半的光子經(jīng)過前面的空隙。
之后雙縫干涉實(shí)驗(yàn)視頻，旁邊屏幕上的白色，竟然不再是干涉白色了，而是兩條痕跡。此刻，光子顯示下來的是粒子特點(diǎn)！
當(dāng)對著雙縫的光子偵測器工作時(shí)，干涉白色消失，意味著光呈現(xiàn)了粒子性
然而，假若我們把光子偵測器關(guān)閉，前面屏幕上的干涉白色又神奇般地回去了！
當(dāng)對著雙縫的光子偵測器關(guān)掉時(shí)，干涉白色出現(xiàn)，意味著光呈現(xiàn)了波動性
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的最初版本還是費(fèi)曼提出來的：費(fèi)曼構(gòu)想在單電子實(shí)驗(yàn)的雙縫中間放一盞燈，當(dāng)電子通過時(shí)，光子打到電子上形成散射，我們就可以看見電子是從哪一個(gè)縫通過的。
他剖析到，光子撞到電午時(shí)會干擾電子，為此，他增加了光的硬度。不過，即使只有一個(gè)光子，依然有足夠的能量來干擾。他進(jìn)一步覺得，要讓光子不干擾電子，只能增大光的波長，也就是減少光子的能量。并且減小波長才會增加幀率，最后我們可能就看不清了，這就是不確定性原理。最后，他覺得：只關(guān)燈，不觀測，也會讓干涉白色消失。
雖然，在費(fèi)曼這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)里，觀測不觀測不重要，關(guān)燈本身就是宏觀世界對微觀世界干擾了，這和單光子實(shí)驗(yàn)里安放“光子偵測器”的療效是一樣的。兩個(gè)版本的思想實(shí)驗(yàn)，本質(zhì)上是一樣的，就是實(shí)驗(yàn)過程有沒有對粒子引起干擾。
這是一個(gè)神奇的思想實(shí)驗(yàn)，我們在雙縫旁邊有沒有做檢測，會影響到旁邊屏幕上的白色。
這就是量子熱學(xué)的神奇之處：當(dāng)我們沒有在雙縫旁邊觀察光午時(shí)，前面屏幕上的白色由薛定諤多項(xiàng)式來決定其機(jī)率分布；當(dāng)我們在雙縫旁邊觀察光子的時(shí)侯，還會出現(xiàn)我們前面提及的“波函數(shù)坍縮”，光子以50%的幾率穿過雙縫中的一條，抵達(dá)屏幕。
玻爾對此的解釋是“互補(bǔ)理論”：光子和電子可以表現(xiàn)出波的特點(diǎn)或則粒子的特點(diǎn)，但我們在同一時(shí)刻只能觀測到它的一種特點(diǎn)，而未能同時(shí)觀測到兩種特點(diǎn)。當(dāng)我們觀察到光子的粒子特點(diǎn)的時(shí)侯，光子的波動性就消失了；當(dāng)我們觀察到光子的波動性的時(shí)侯，光子的粒子性就消失了。
Which-way？
在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家做了“which-way”的雙縫實(shí)驗(yàn)，在雙縫旁邊做偵測，看粒子究竟是從哪條縫里經(jīng)過的（這就是which-way的含意）。當(dāng)這些偵測是“深度恐嚇”時(shí)，對粒子會形成影響，屏幕上的干涉白色會消失。而當(dāng)這些偵測只是“輕微恐嚇”時(shí)，對粒子的影響不大，屏幕上的干涉白色一直存在（其實(shí)，這些“輕微恐嚇”的“淺淺一瞥”，并不能非常可靠地給出粒子經(jīng)過哪一個(gè)空隙的信息）。確實(shí)，我們在宏觀世界“看”，這一眼看得“輕”還是看得“重”，會影響微觀世界粒子的行為。
2011年，俄羅斯的科學(xué)家用幾層原子弄成過濾器，作為“which-way”探測器。粒子經(jīng)過沒有過濾器的空隙時(shí)（相當(dāng)于沒有被偵測），遭到彈性散射，弄成柱形波；而粒子經(jīng)過有過濾器的空隙時(shí)（相當(dāng)于被偵測了），遭到非彈性散射，弄成球狀波。球狀波和柱形玻遇到一起，難以產(chǎn)生干涉白色。這從波形的角度解釋了為何“探測”這件事本身會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)科學(xué)家將過濾器長度減小的時(shí)侯，干涉白色消失；而過濾器很薄的時(shí)侯，有微弱的干涉白色存在。
一種“which-way”實(shí)驗(yàn)結(jié)果：粒子經(jīng)過沒有被偵測的空隙時(shí)弄成柱形波；而當(dāng)它經(jīng)過被偵測的空隙時(shí)，弄成球狀波
假如和上一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合上去，我們其實(shí)可以說，當(dāng)我們偵測時(shí)，“重重地看了一眼”，一下子把粒子弄成了“球形波”，沒被看的粒子維持著“柱形”，“球形”“柱形”兩不相干了。
最近科學(xué)家又有新的創(chuàng)意和突破：她們使兩個(gè)粒子相互糾纏（可以想像成一對雙胞的粒子），其中一個(gè)粒子拿來做“which-way”的觀測，另一個(gè)粒子通過雙縫干涉。這樣一來，科學(xué)家同時(shí)獲得了粒子特點(diǎn)和波的特點(diǎn)。
雙縫實(shí)驗(yàn)和波粒二象的研究至今仍然讓科學(xué)家著迷。
從1801年的楊氏雙縫光干涉實(shí)驗(yàn)到2013年的單電子雙縫實(shí)驗(yàn)，一個(gè)簡簡單單的雙縫，寬度只有幾分米甚至幾十納米，卻前后跨越了二百多年，見證了光的波動性的漣漪、波粒二象性的神奇、薛定諤多項(xiàng)式的美妙和量子熱學(xué)的石破天驚。可以毫不夸張地說，正是雙縫，讓我們得以初窺微觀粒子世界的奇妙。
科學(xué)家也仍然在設(shè)計(jì)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，來厘清楚究竟是哪些造成“坍縮”，我們的檢測手段本身在其中起了哪些作用，平行宇宙是否存在，量子糾纏究竟是如何回事等等。通過探求這種未解之謎，科學(xué)家似乎會對愛因斯坦“上帝不擲色子”的觀點(diǎn)作出回答。
雜記
本文刊載于2018年8月出版的“少年時(shí)”系列《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的互相作用》，作者為海上云，他從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)路方面的研究開發(fā)，獲10多項(xiàng)日本專利，也是“少年時(shí)”專題編輯。
“少年時(shí)”《物質(zhì)的本源——基本粒子和它們的互相作用》截圖
《少年時(shí)》系列舉版物聚焦于闡述全球熱議的新銳科學(xué)和人文話題，傳播國際教育新知和創(chuàng)新思維理念。《少年時(shí)》收集了世界級科學(xué)家和學(xué)者研究的48個(gè)熱門話題，從人類進(jìn)化到人工智能，從物理在西方到硅谷的演化，從幸福的科學(xué)到寫作等學(xué)科探究，推動中國現(xiàn)代少年慎思探究，實(shí)事求是，展開前沿科技的創(chuàng)新和維護(hù)人類文明的對話。
制做《少年時(shí)·物質(zhì)的本源——基本粒子和它們之間的互相作用》的本意，總編祝偉中是如此說的：
1.在某種意義上，小孩接受基本粒子化學(xué)學(xué)的一些觀念，是不是比大人容易呢？由于她們對我們生活的宏觀世界的認(rèn)知還沒有這么根深蒂固。就如小孩越中學(xué)游泳越容易那樣。
2.考量事物、追根追溯，是人類的本能，是人類的追求，更是現(xiàn)代人的素養(yǎng)和情結(jié)。
3.我們不是用童書的方式來講基本粒子化學(xué)學(xué)，而是企圖用科普書的形式來講，也就是簡化、淺化數(shù)學(xué)書，讓大人男孩都適宜看。并且正好順著學(xué)科發(fā)展的時(shí)間線，才能由淺入深。從頭開始看，能看見哪一篇，就是哪一個(gè)層次。
4.基本粒子化學(xué)學(xué)跟我們的生活有沒有關(guān)聯(lián)呢？我們曉得，基本粒子化學(xué)學(xué)的一個(gè)重要理論是量子熱學(xué)，而現(xiàn)今的半導(dǎo)體化學(xué)就是基于量子熱學(xué)的；沒有量子熱學(xué)，就沒有計(jì)算機(jī)和一切電子設(shè)備，也就沒有我們的現(xiàn)代化社會。
-TheEnd-
本文來自少年時(shí)44《物質(zhì)的本源·跨越200多年的雙縫實(shí)驗(yàn)》一文
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