为什么当年双缝干涉延迟实验让科学家感到恐怖？

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很多人听过双缝干涉实验后会认为“玄之又玄”，于是有了“遇事不决量子力学”。实际上，量子力学是人类了解宇宙底层逻辑的敲门砖，而双缝干涉实验则是量子力学核心的显现，下面我聊聊双缝干涉实验到底多“诡异”，它揭示了宇宙哪些核心？

薛定谔的猫、上帝掷骰子、平行宇宙哪来的？

由于量子太过抽象，因此我们把量子现象过渡薛定谔的猫，再回到双缝干涉实验就容易理解了。这是薛定谔给我们理解量子力学的好例子。

话说啊，有个封闭的盒子里面装一只猫，然后一个量子装置连着毒药瓶，猫的生死取决于量子性质，如果量子发生衰变猫死，反之则没事。换句话说，猫的生死间接表现了量子的性质。实验的问题是猫最后是死的，还是活的？

各路大佬都说出了自己的看法，主流看法有三个：

哥本哈根学派，波尔：这是只 量子猫，它在盒子里的概率是100%的可能性是活的，同时100%可能性是死的，两种状态同时存在，叠加在一起，当你打开盒子一瞬间，猫的生死才会表现出来，生死的结果是随机的。

爱因斯坦、薛定谔：猫50%是死的，50%是活的，我们打开盒子之前它就已经死了，或者还活着，我们打开盒子看到的是结果，而不是诱发结果。

爱因斯坦：波尔，按你的意思是打开盒子时，上帝发现有人要来看结果了，赶紧摇号决定了猫的生死？

波尔：你别管上帝能干什么！

休·埃弗雷特：安静安静，我还没说呢！首先波尔的叠加态我是认同的，但是100%+100%=200%，打开盒子前与打开盒子后应该守恒才对，因此我认为如果打开盒子时猫死了，那么活着的猫应该存在于另外一个世界中——平行宇宙。

爱因斯坦、薛定谔、波尔：你厉害， 我们竟然不知道如何证明你说的是错的！

故事先到这里，看得懂看不懂没关系，先说结果：波尔是对的！而平行宇宙证明不了，最多算假说。在这个故事中有几点很重要：

1. 猫即死又活的状态——叠加态

2.打开盒子意味着观测， 观测会让叠加态随机坍缩为单一状态 。（上帝摇号！）

3.前两点， 打开前与打开后，还隐含了波粒二象性。 （下面再说）

光到底是什么？——双缝干涉的“诡异”

接下来我们看双缝干涉，这事要先从牛顿说起，源于一个看似简单，然而谁都答不上来的问题——光是什么东西？

图：牛顿三棱镜实验

牛顿作为当代学霸，为光学做出了不少贡献，比如阳光是由多种光混合而成的三棱镜实验就是他搞出来的。他认为光又能反射，还折射，运动轨迹会改变，就像乒乓球扔墙上会反弹回来，因此它最小的单位应该是粒子。

十九世纪，托马斯·杨反击牛顿，他只干了一件事，让一束光通过了两条小缝，后面有块感应屏。“按照牛顿的说法”这个实验的结果应该是两条条纹，如下面：

实际上却出现了下面的结果：

于是老杨说光就像下面的水波一样，其实波：

通过缝隙的光波变成了两个波，两个波接触干涉，出现和水一样的现象，于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验，但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。

好景不长，随着黑体辐射实验，普朗克发现光能量是一份一份不连续的，爱因斯坦发现光电效应，即光与原子作用时是以粒子的形式交换能量的。于是大家重新审视双缝实验，对它进行升级。

既然光是一粒一粒的，那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么？（实际实验用的是电子，道理是一样的）

大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子，显示屏上随机出现大量的粒子，但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子，为何会发生干涉？

于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉，有点像儿童乐园里的海洋球，当你跳进去，海洋球虽然是一粒一粒的，但是会像波一样往向外扩散，于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉。但真的只是这样吗？

图：实验结果

科学家再次做了实验，改成了“手枪式”发射，“啪”打一发电子，电子到达了感应屏，再打下一发，杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了，快点打和慢点打，结果是一样的，屏幕还是出现了波动性，才会出现的干涉条纹，而不是两条条纹！也就是说单个电子发生了干涉，那么它和谁干涉呢？就两个缝，它只能选一个穿过，另一个缝没有电子出来，上哪干涉去？

为了解决了问题，大佬们就在实验中安上了光电探测器“去看它”，看看电子是如何完成干涉的！结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家：上帝，告诉我发生了什么！

上面的故事已经给了答案：波粒二象性

先按不靠谱的平行宇宙理论来解释：你不看时，电子即从A缝过去，又从B缝过去，然后发生了干涉，你可以理解为量子出现了一个分身。如果你去看它，宇宙就分裂了，如果电子从A缝进入，那么平行宇宙中的电子就从B进入，是我们去探测引起了宇宙的分裂，导致处于两个宇宙中的电子（分身）无法形成干涉。

波尔的解释：前半段和平行宇宙一样，电子处于叠加态，这是一个波的状态，但当你去看它，就随机坍缩成了粒子态。

爱因斯坦：无法解释！肯定有什么我们还没弄清楚的，反正上帝是不会摇号的。

图：我们印象中电子在原子中是这样的

图：实际上它是这样的，因此也叫电子云，具有概率性、波动性。

到目前的科学研究成果来看，波尔是对的。量子具有波粒二象性，这是量子力学的核心。一个电子同时具有波与粒子的性质。

当它没有坍缩成粒子时，虽然也是以单个粒子发射，但波的性质也在发挥着作用，当你发单个电子就类似于发射出水波，你发射了一堆电子，其实就是在发射一堆波，这些波都会按着干涉后的结果显示在感应屏上。当你探测电子，它坍缩成单独的粒子性质，所以一堆电子打出去，没有发生干涉，只出现两条条纹。

如果不理解量子的性质就会觉得，我不看出现干涉条纹，我看了却不干涉了，似乎有点“恐怖”，理解了就理所当然了，量子力学是目前人类发现的宇宙最底层的逻辑，它可以解释宇宙起源，大到宇宙的构成，小到组成宇宙最小结构的粒子的形成。

如果说宇宙不是完美的，它有BUG（漏洞），你信么？双缝干涉实验似乎一步步地发现了这个宇宙“漏洞"

双缝干涉实验是什么？

当我们在水中丢下一块石头，那么水面就会产生波纹，如果同时丢下两块石头，两个水波之间就能够出现交叉的干涉条纹。这就是波能够互相干涉的特征。

双缝干涉实验既在一个光源前放置一个开了两条缝隙的不透明挡板，挡板后面再放置一个能够观测到的背景。当我们打开光源，会看到背景上出现明暗相间的条纹，这就是简单的双缝干涉实验。 这个实验证明了光是一种波！ 因为光在穿过两条缝隙后产生只有波特有的干涉，相反的波被抵消，相向的波被增强，导致背景上明暗相间的条纹。（日常生活中主动降噪耳机就是利用了这个原理，用相反的声波抵消了噪音）

下面我们把实验升级一下，光源变得非常小，背景换成高灵敏高分辨的底片。打开光源后，一开始我们看到了无数随机分布的小点，随后这些小点越来越多最终形成明暗相间的条纹！实验升级后证明光是一种粒子并且还具备波的特征 ， 也就是光的 波粒二象性 ！

双缝干涉延迟实验

虽然双缝干涉实验已经让人赞不绝口，不过科学家们还是在这个实验上再次升级。将光源变成一次发射一粒的电子！电子要通过这块挡板只能随机通过两条缝隙。

我们知道，要干涉就必须有对象，没有对象怎么被干涉？然而这一次实验结果出事了，即便单个电子在随机穿过两条缝隙后依然在最后形成了干涉条纹。

这个结果震惊了科学界！为什么单个电子能够自我干涉？难道他还有一个分身？更诡异的是当我们观察电子是通过哪一条缝隙时，干涉条纹消失了。当取消观察时，干涉条纹又神奇的出现了！冥冥中仿佛有一双眼睛窥视着我们，只能让我们看到电子穿越缝隙的路径（粒子特征）或者电子的干涉条纹（波特征）其中之一！

双缝干涉之延迟选择量子擦除

看到这里，你也许认为上面的实验会有很多未知的漏洞，我们观察电子时已经打扰了电子的正常运动导致电子属性改变，只是我们没有办法找出这个因素。接下来科学家用更加复杂精密的方法来做双缝实验。将一个光子分离成一对纠缠的光子A和B（纠缠的量子能够无视距离影响对方）

AB分别做双缝干涉实验（互不影响的环境），而B距离感应屏比A远，这样 A会比B要先到达感应屏 。当我们在B实验中放置相机观测到B通过双缝的路径时，A实验的干涉图像消失，显然，纠缠的两个光子是互相影响了，B得不到的波属性A也得不到。接下来，我们通过技术手段把B获得的路径信息擦除,然后A和B都出现了干涉条纹。这里就出现了两个个非常诡异的现象。 测量到光子的路径信息只是"泄露”，没有主管观意识去查看，干涉条纹会消失！把这个路径信息擦除掉，干涉条纹又会出现！

更诡异的是，实验中我们设定从B获得路径信息时，A早就已经到达了感应屏形成了图像！这时候擦除B的路径信息，A感应屏已经"拍好照"的图像会鬼魅般地变成干涉条纹！

让人难以理解的“宇宙程序”

很多人一开始认为，观察光子路径就是人类意识干预了实验。不过我们从最后一个实验得知，在延迟选择实验中，测量到的路径信息，你看与不看，宇宙程序它已经认定了你泄露了天机！光子波动属性就被隐藏了！我们得不到干涉图像。如果我们把这个泄露的天机抹除掉，宇宙程序马上修复了光子的波动性，让我们得到了干涉图像。没想到的是，我们人类在实验室上利用量子纠缠钻了个空子，让图像形成之后再得到路径信息。接着我们再去选择是泄露还是擦除，宇宙程序任然按照原来的指令执行了。让已经形成的图像变了回去（曾经不干涉的光子，在曾经又干涉了。这话很绕）？这是不是意味着我们找到了一个宇宙程序的BUG，用现在的决定，改变了过去！还是另有其他原因？我们生存的宇宙，这个看不到边无比真实的世界，难道是一个设定好的“程序”？或者说宇宙这个看似无比完美运行的世界其实还有一些漏洞。如果人类将来利用这些漏洞未来的世界会发展成什么样子？

答：算不上恐怖，但是这个实验很神秘。双缝实验是英国科学家托马斯·杨在1807年提出的，该实验证明了光波动性；到了20世纪初，量子力学的出现，给双缝实验增加了新的解释。

光的 历史

牛顿是光学的鼻祖人物，在17世纪建立经典力学，认为光是由许多微小粒子组成的粒子流，也就是“光的粒子学说”，该理论成功解释了光的折射、反射等等现象，在后来的100多年时间里，粒子学说一直被视为光的正统学说。

直到1807年，英国科学家托马斯·杨发现了光的双缝干涉实验，这一实验证明光是波而非粒子，因为干涉是波的特征，从此，光的波动学说逐渐代替粒子学说成为正统。

又过了100多年，光的波动学说遇到一些无法解释的现象，比如黑体辐射、光电效应等等，然后普朗克、爱因斯坦等人，再次把光的粒子学说搬上科学舞台。

随着量子力学的发展，科学家提出了光的波粒二象性，大物理学家费恩曼曾说过：“双缝干涉是量子力学的核心实验，其中包含了量子力学最深刻的奥秘。”

双缝干涉

在经典力学的波动学说中，双缝干涉就是对光的波动解释，并没有神秘的地方；但是在量子力学中，双缝干涉就没那么容易解释了，其中有很多地方，科学家到现在都没有弄清楚。

对于该实验，首先量子力学认为，光是由一份一份的光量子组成，每份的能量大小为E=hυ，其中h为普朗克常数，υ为光子的频率。

一束单色光穿过狭窄的单缝后再次穿过双缝，就会在双缝后面的屏幕上产生干涉条纹；该实验的神秘之处在于，如果我们一个一个地发射光子，也能得到干涉条纹，甚至我们把光子换成电子，甚至是分子，也能得到干涉条纹。

如果从粒子的角度看，粒子穿过单缝后，再次穿过双缝时只有两个选择，应该在屏幕上得到两条亮纹；可事实是得到了多条明暗相间的干涉条纹，说明单个粒子在该实验中能进行自我干涉。

换句话说，单个粒子不是通过了一条缝，而是同时通过了两条缝；你没听错，是单个粒子在同一时间，同时通过了双缝，就好似单个粒子一分为二后通过了双缝，然后再进行干涉组成一个粒子落到屏幕上。

该实验的神秘之处还在于，一旦我们试图探测粒子到底穿过了哪条缝，比如在双缝处加上探测器，那么干涉条纹会立刻消失，就好像粒子知道你对它进行观测了一般。

实验过程的观察与否，居然会影响到实验结果，这是非常令人费解的；当初爱因斯坦还对量子力学嘲笑到：难道在你不观察时，月亮就不存在！

这个解释让人非常难以接受，但这正是量子力学对双缝实验的诠释，无数顶尖级的物理学家，都试想过你能想到的任何可能，最后都认为这个解释是最合理的。

该实验经过延伸，还引出薛定谔的猫、量子延迟选择实验等等；比如在薛定谔的猫中，猫死与猫活，对应的就是双缝干涉实验中的两条缝，两个实验本质上是一样的，如果解决了双缝干涉实验，也就解决了那只半死不活的猫。