為什麼當年雙縫幹涉延遲實驗讓科學家感到恐怖？

減水書生

歷史達人，優質創作者

理論上沒問題。但理論需要試驗來驗證。物理不是數學，總有不講理的地方。一個牛人跑得跟兔子一樣快，那你能說他就是一種兔子嗎？所以，證明牛人是不是兔子，還需要試驗，起碼你得證明他有四條腿、還有短尾巴。

1803年的時候，英國人托馬斯楊做了著名的雙縫實驗。當時的實驗工具非常粗糙。光源是一個點燃的蠟燭，蠟燭後面是一塊遮擋板，遮擋板後面是一個屏幕。在遮擋板上開了兩個縫隙，蠟燭的光只能透過這兩個縫隙，才能打到後面的屏幕上。

於是，神奇的一幕發生了。屏幕上形成了明暗相間、循環有序的條紋。這說明什麼？這說明光是以波的形式通過兩條縫隙的，然後兩組光波在屏幕上形成幹涉。波峰與波峰相遇則正好疊加、波峰與波谷相遇則正好抵消。

所以，光是一種波，像水波一樣。

普朗克到愛因斯坦，證明光是一種粒子

黑體輻射中的黑體，就是它不反射光，只發出自己的光。像太陽、燒紅的老鐵、黑暗中的人體，都可以近似
為黑體。黑體發出的光，全是因為它的熱量，也就是一種熱輻射。

但是，問題出現了。在給定溫度下，黑體發出去的光，它的頻率形成了一條誰也無法解釋的曲線。

你把光當成一種電磁波，然後用統計力學進行計算，卻死活解不出黑體發光的方程來。

於是，普朗克出手，他只看曲線、只用數學，硬是湊出了一個方程。但是，要滿足這個方程，需要一個前提條件，那就是：黑體發出去的光，必須是一份一份的。簡單說，就是黑體輻射出來的光，不是像波一樣，是連續的，而是像子彈一樣，射出來的。

所以，黑體輻射的解釋就是：黑體輻射出來的光，是一份一份的。

同時，物理學家又發現了一個奇怪的現象：一束光打在金屬板上的時候，金屬板就會向外發射出電子。解釋起來很簡單，光是一種電磁波，電磁波是有能量的，電磁波的能量推動電子，電子就被打了出去。但問題是電子怎麼跑，與光的強度沒關系，只跟光的顏色有關系。用物理量來說，就是跟光的頻率有關系。高頻率的綠光和藍光，無論強度多弱，電子都會被打出去；低頻率的紅光，無論強度多強，電子都不會被打出去。

光是一種電磁波，電磁波的能量只跟光的強度有關系，跟頻率沒啥關系。所以，應該是強度越高、能量越高，然後電子就被打出去越多。但是，電子能不能被打出去，跟光波的強度卻沒啥關系，只跟光的頻率有關系。所以，電磁波解釋不了這個問題。

而接下來，就是愛因斯坦出手了。

愛因斯坦認為非但黑體輻射發出來的光是一份一份的，只要是光，它就是一份一份的。光不是連續的一片波，而是由一個一個的光子組成的。每個光子的能量，是它的頻率乘以普朗克常數。所以，頻率越高，能量就越高。至於光波的強度，不重要的。重要的是光的頻率，頻率足夠、光子的能量才夠，自然可以把電子打出去。從中可以推理出來：光是粒子的，像子彈一樣。

光到底是什麼：波粒二象性

接下裏肯定要問：光到底是波動的還是粒子的。你可以認為：光子形成的光，是波動的，就像水分子聚合成的水一樣：而單個光子，是粒子的，就像射出去的子彈一樣。

但是，後來把楊氏雙縫實驗精確到單個電子的程度，它卻仍舊表現出波的屬性。

中間還有各種實驗，也有各種理論推理，一筆帶過。一個叫德布羅意的物理學家提出了一個洞見，那就是：電子和光子一樣，都具有波動性，而且一切物質都有波動性。你之所以看不到物質的波動，是因為波動太小，觀察不到。比如一個質量為3千克的球，以每秒10米的速度運動，根據計算，它的波長是10的負35次方米。

所以，光具有波粒二象性。

1961年，物理學家用單個電子做成了楊氏雙縫實驗。實驗結果：你就是每次只發射一個電子，積累的電子多了，屏幕上還是會出現幹涉條紋。

如果電子是粒子的，那麼屏幕後面就應該像打靶的靶紙一樣，怎麼也不可能出現幹涉條紋。所以，唯一的解釋就是單個電子同時通過了兩個縫隙：它既在這裏也在那裏。

燒腦了吧。但，以上只需要記住一個結論，就是：世界是由原子組成的，原子就有波粒二象性。

接著，更燒腦的問題和實驗有出現了。

到底什麼時候是波、到底什麼時候是粒子

你在楊氏雙縫實驗的屏幕後面，各放一台探測儀，盯著單個縫隙，看光子到底怎麼運動。這時候，會出現什麼情況？光子就像子彈一樣從一個縫隙中射了出來，屏幕上也沒出現幹涉條紋，它表現為粒子性，而不是波動性。

如果在實驗中沒有屏幕，就用兩個探測器分別盯著兩個縫隙，那光子就或者從這個縫隙中通過、或者從那個縫隙中通過，光子表現為粒子性。

如果在實驗中放上屏幕，屏幕擋住了兩個探測器的觀察視角，那光子就會同時從兩個縫隙中通過，然後在屏幕上形成幹涉條紋。

你這是怎麼回事？

我這麼觀察的時候，你光子就是波動的，在屏幕上形成了幹涉條紋；我那麼觀察的時候，你光子就是粒子性的，像子彈一樣飛了過來。

也就是說，光子到底表現為波動性，還是粒子性，完全取決於我的觀察。是波動、還是粒子，光子說：我都可以，看你喜歡。你放塊屏幕在後面，那我就給你波動出幹涉條紋來；你放個探測器盯著我看，那我就給你做出粒子運動來。

延遲選擇的猜想和試驗

於是，在上世紀70年代末，物理學家惠勒提出了一個延遲實驗。簡單說：開始不放屏幕，就是盯著縫隙，相當於盯著光子怎麼運動；等你光子完全通過雙縫之後，再突然放上屏幕，看你還能不能波動出幹涉條紋來。

實驗很多，各種複雜的設計和先進的儀器都用上了，因為物理學家一定要往死折騰光子。

太複雜的操作設計不解釋了，大體步驟可以做如下概括：

雙縫後面不放置屏幕，分別用探測儀盯著兩個縫隙：這時候光子肯定會像子彈一樣，或從這個縫隙射出、或從那個縫隙射出；

在這個過程中，光子表現為粒子性；

等光子像子彈一樣通過雙縫之後，這時候它肯定不能調頭、也不能重來了，然後再突然把屏幕放上，觀察光子到底會在屏幕上留下什麼。

這麼折騰光子，你讓光子情何以堪？我到底該表現為波動性、還是該表現為粒子性？

光子不能調頭、不能重來、更不能耍無賴，所以它只能像子彈一樣射過來，屏幕上就會呈現子彈掃射的樣貌。然而，並沒有，幹涉條紋在屏幕上出現了。

也就是說，光子是同時通過雙縫的、是波動過來的。我們的觀測改變了光子的歷史軌跡。

用一個通俗點兒的例子，來解釋這個問題：

老師點名的時候，我肯定要到課堂聽課；老師不點名的時候，我肯定要到球場打球；到底是上課還是打球，取決於老師點名或不點名的信息。

開始，老師說不點名，所以我換上了運動服、去了球場打球。突然，老師又說點名了，而我卻已經穿著正裝、坐在課堂聽課了。

之前的換上正裝、到課堂聽課，之前的換上運動服、去球場打球，這段“歷史”到底會是哪一個，完全取決於現在的老師現在是不是要點名。

現在的選擇可以改變過去。

如果這個例子的時間尺度還不夠大，那就用惠勒提出的設想：

一個距離地球十億光年的星系，它的星光被愛因斯坦的引力透鏡分成了兩束，在十億年後各自到達了地球。引力透鏡就相當於楊氏雙縫實驗中的雙縫。只不過這個縫隙有點兒大。

如果我們單獨觀察一束光，那麼它就是單獨過來的，它是以粒子的形式走過來的。

如果在地球支上一個屏幕，那麼兩束光就合在一起，它是以波動的形式走過來的。

這是不是說：我們的行動，能夠決定光子十億年前出發時候的狀態，是波動的還是粒子的？

當下的選擇能夠決定歷史。

但是，還不需要過分擔憂。

首先，這只停留在微觀粒子層面；其次，選擇只能決定光子當初是波動還是粒子；第三，選擇並沒有改變光的運動方向。可以得到的洞見是：我們可能需要對過去和未來做出新的思考，懷疑其是不是一種錯覺。