谁能解释双缝干涉实验理论的疑惑

双缝干涉实验到底有多神奇？这个问题真是隔一阵就会热一下，那今天咱们就来梳理一下思路，然后再来说一个最容易被误解的点，就是关于摄像机导致波函数坍缩的问题。

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先来说结论吧：到目前为止你们听过的在双缝旁边摆一个摄像机的实验，都是思想实验。说白了，就是一个都没做出来！不过双缝实验确实很神奇，但不是神奇在摄像机，这具体情况咱们后面说。
【谁能解释双缝干涉实验理论的疑惑】先来说人们为什么要做双缝干涉实验呢？最早就是为了探寻光的本质，就是一束光我们给它无限的放大，它的最小单元是一个粒子还是波呢？
历史上出现了两伙阵营，惠更斯认为光是波牛顿认为光是粒子，双方谁也不服谁，直到后来英国的博物学家托马斯·杨，最先做出了双缝干涉实验。

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就是一个板开两条缝，然后用一束发散光照射，如果我们把光想象成粒子，那么透过夹缝的就应该是两束光，那我们就在后面放一个接收屏，一看，不是两个光斑而是什么呢？而是明暗相间的条纹。这是为啥呢？就是因为发生了干涉，两束光波如果是恰好是波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，那么彼此就会被放大，变成更大的波。但如果是波峰和波谷相遇了，那么两束光就会被抵消，这就是波的叠加原理。只有这样才能解释明暗相间的图样，所以最早人们通过托马斯杨的干涉实验就得到了一个共识，那就是光确实是波。因为干涉是波的性质，不是粒子的性质。
到这为止波动说几乎是赢了，但是赢的还不够彻底，彻底赢是等到1864年麦克斯韦发表了《电磁场的动力学理论》，给出了麦克斯韦方程组，并且预言了光是一种电磁波。后来随着大量的光速测量实验的出现，这样波动说才有理有据的赢了。
但是新的问题很快就出现了，随着人们对微观领域的研究，量子力学逐渐浮出了水面。其中有一个问题经典物理就解释不了，那就是光电效应，简单说就是紫外线照射到金属板上能把电子打出来，人们还发现这种打出电子的能力只和光的频率有关，和光强无关。也就是频率只要高于紫外线比如说X射线，伽马射线都能打出电子，光再弱也能打出来，但是只要频率低于紫外线，光强再大也没用，也不能把电子打出来。
当然咱们这里的紫外线只是举例子，具体金属材质不同这个阈值会不同。不过大体就是紫外线左右，这件事在经典里就解释不了。经典中我们认为能不能打出电子，那就得看光的能量大小，那光的能量和什么有关呢？
咱们用声音举个例子，说话声音大就是能量大，说话声音小就是能量小，那怎么样才算声音大呢？这个中学学过，振幅决定音量的大小，说白了就是你这个声音波形有多宽，越宽振幅越大音量也就越高。在经典物理中光波也是一样，在经典物理当中光强只和光波振幅的平方成正比，和频率是没有关系的。
那为什么光电效应实验却和频率有关和振幅没关呢？
咱们再用声音举个例子，比如说现在能够打出电子的不是光波而是声波了，那么只要你是一个老爷们，无论你怎么冲着金属板大吼大叫声音再大，金属板就是对你不感冒。但是只要是一个小姑娘，或者是一个小孩，那么不管她们说话声音有多小，电子就会屁颠屁颠的出来了。因为小姑娘和小孩的声音频率比你更更高，所以我们听起来声音更细更尖。所以你看，结论就是直觉告诉，能不能打出电子应该和光的能量有关。
实验又告诉我们这个能量似乎和频率有关，和振幅又没关系了，这个与经典物理学之间的矛盾怎么去解释呢？我估计如果要是倒退个几百年，这件事儿可能早就被解决了。你想想牛顿和惠更斯时期，那个时候就是因为光到底是啥这件事儿还没有结论，所以很多大胆的假设人们都敢尝试。不过光电效应恰好发生在波动说已经完胜了，微粒说已经被抛弃几十年了这个时期，在这种固有的思维模式下想要寻求突破，确实是一件很难的事儿。
扯点题外话，所以你们会发现一些古装武侠剧当中，能够破解阵法的往往都是啥也不懂的，不会武功的，或者下围棋能够破解百年残局的也都是没下过围棋的，确实不是没有道理。
所以光电效应的解释就得需要这么一个不按套路出牌的人，这个人就是爱因斯坦。当然不是说爱因斯坦啥也不会，他是不按套路出牌，爱因斯坦说，那我就再把光看成是粒子呗！你看，微粒说早都已经被判死刑了，人们都已经忘了又被他捡回来了，居然还成功了！
再来回忆一下刚才的结论，直觉告诉我们能不能打出电子和能量有关，实验告诉我们这件事儿又和频率有关，所以爱因斯坦做的事儿就是把他俩画上等号，一个小光子的能量就是与光子的频率是成正比的，比例系数都不用我自己算，普朗克已经算完了，就是普朗克常数。所以那个著名的公式E=hv就这样出现了！
爱因斯坦就是因为这件事儿得了诺奖，这就是过人之处。借此机会，咱们再次强调一下初衷，很多事结论也许不重要，重要的是思考的过程。如果你只知道结论撑死了就是茶余饭后的谈资，但是如果你还知道这个思考的过程，恭喜你，你应该就可以体会到理性的快乐了！虽然可能没啥用，哈哈！！
好了，说回来，光电效应的出现包括后来量子力学的出现，让人们相信了一件事儿。也就是光是具有波粒二象性的，他即是波也是粒子，你看吵了那么多年白吵了！不过这件事儿确实很难接受，物理学家也表示很难接受，所以就做了一系列的双缝实验，想看看这个波粒二象性的本质到底啥意思呢？
下面就来简要说一下各种版本的双缝实验
第一个变种实验是在1909年做的，实验人叫杰弗里·泰勒。
想法是这样的，托马斯杨最早的双缝实验只能说明光具有波动性，因为发生了干涉出现了明暗相间的条纹。但是现在爱因斯坦又说光具有粒子性，那我怎么来检验一下呢？
想法很巧妙，你不是说光是粒子么，我现在就让光一个光子一个光子的通过夹缝，这就相当于我发射一堆弹珠没啥区别了吧？
有同学要问了，你怎么才能做到每次只发射一个光子呢?那个时候确实没有很好的单光子设备，不过原理差不多。就是通过降低光源的亮度，当时使用的光源是相当于看1.6公里外一根蜡烛的亮度，就这么暗，这样再根据这束光的频率，就能够保证某一时刻只能接收到1个光子了。那后面就不能是接收屏了，就得用感光胶片，然后长时间曝光，预期的结果是这样的：
既然一个光子一个光子的发射，那应该就不会发生干涉了，所以感光胶片上应该就是两个光斑你们猜实验结果怎么着？
长曝光之后发现，依旧出现了明暗相间的条纹，无论每两个光子的发射时间间隔有多长，实验结论都是一样的。这件事儿怎么解释呢？
出现干涉图样就说明发生干涉了，但是我们理解的干涉就是两束波相遇才能发生，现在同一时间只有一个光子通过夹缝，那个一个光子和谁干涉呢？
所以只能被逼无奈的得出一个结论，光子和自己发生干涉了，或者说一个光子同时走了两条路，先不管各位能不能接受这个结论，思路先跟着我走啊！
咱们再来看下一个实验，单光子的双缝实验做完了之后，物理学家又开了一把脑洞。不过这块有一个铺垫，就是物质波概念的提出，就是最开始说光即是波也是粒子。后来德布罗意说，能不能粒子也是波呢？这里的粒子就是指有质量的通常我们理解的粒子，比如说电子、质子、原子等等。现在德布罗意问这些粒子能不能也是波呢？
感觉就莫名其妙是吧？在理论上确实很好用不过你得通过实验验证啊！于是很快电子衍射就做出来了，但是物理学家感觉不行，还是对双缝实验情有独钟，能不能用粒子做个双缝干涉实验呢？看看能不能产生干涉图样呗？
这件事儿确实不好做，为啥呢？因为物质波一般来说波长都会比较小，而两条夹缝的间距又是与波长是成正比的，所以为了产生能够观测的干涉图样，就得要求两条夹缝特别窄。不过这难不倒物理学家！
第一个用电子做的双缝干涉实验是在1961年完成的，这位叫做约恩松，德国物理学家，他的这个电子的双缝干涉实验在2002年，被评为十大最美物理学实验的第一名。
这个实验在当时还是比较难做的，主要就是刚才说的夹缝必须要窄窄到什么程度呢？约恩松做的实验每一条夹缝的宽度是300纳米，一共有五条夹缝，每两条夹缝之间的间距是1微米。什么概念呢？通常人的一根头发的宽度是80微米左右，也就是实验器材夹缝这一部分整体还没有一根头发丝宽。就是这么精密！
当然实验结果不出所料，电子也出现了明暗相间的干涉图样，这个实验再次验证了物质波理论是正确的，同时也证明了，不仅仅是光，可以说任何粒子都具有波粒二象性。那你自然会问，我们人也有波动性吗？理论上是有的，只不过不明显。
从约恩松之后物理学家用了更大的粒子，像足球C(C60) 以及一些其他的大分子，做了同样的双缝干涉实验，发现依旧会出现干涉图样。也就是到目前为止宏观和微观的明确分界线还不是很清楚。
到目前为止，光的双缝干涉实验，单光子的双缝干涉实验，电子的干涉实验都已经出现了，这些实验都是真做过的。于是物理学家又脑洞了，又想出两个实验方向：
一个就是电子束通过夹缝可以发生干涉，那么单电子通过夹缝是否可以发生干涉呢？就是让电子一个一个的通过夹缝。

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这个实验也做完了，最早完成的是1974年意大利物理学家皮尔·梅丽，但是他使用的不是传统意义上的双缝，而是电子双棱镜。第一个用双缝做的单电子干涉实验，是在2012年才完成的，由内布拉斯加大学做的。实验结果显示即使电子一个一个的通过夹缝依旧会出现明暗相间的干涉图样。
第二个实验方向就是大家比较感兴趣的，针对于单光子和单电子的双缝实验，被逼无奈的解释是光子在通过夹缝的时候，自己和自己发生了干涉。那我能不能在夹缝旁边放一个摄像机看一下呢？
这种想要探测光子或者电子具体通过了哪个夹缝的实验，就统称为Which Way实验，但是到目前为止没有在旁边放一个摄像机直接探测的，理由也很简单，因为单光子或者单电子都太小了，我们肉眼是无法看见的。还是那句话看这个词是有物理行为的，我们之所以能够看见物体，就是因为有光子射入到我们的眼睛里了，那你想在旁边看一下光子到底通过了哪个夹缝，它就只有一个光子还是奔着夹缝去的，没有向我们眼睛来的，所以根本就看不见。
能明白这个逻辑吧？有同学说那我就在夹缝后面等着它，而且我不用人眼，我用精密的光子探测器。对不起，也不行！因为几乎所有的探测器都会吸收光子，那就什么图样都没有了。有同学说那我用电子显微镜去看呢？电子显微镜本身就是通过发射电子，打到物体表面然后通过计算机成像。就算我们用电子显微镜去观察单电子，一堆电子发射出去了，先不说电子打电子这个概率有多么的低，就算打到了，那通过夹缝的这个电子早也已经被打飞了，这样就对实验结果产生干扰了。
所以再次重申，所有在夹缝旁边放一个摄像机的双缝实验都是思想实验，你不要把它当成真事儿！为什么要强调这个事儿呢？因为这里有一个很强的误导性，那就是观测会改变实验结果，而观测又是一个很主观的行为，所以这就导致衍生出了很多无聊的问题：说我在夹缝旁边放一个摄像机，人在摄像机后面和人不在摄像机后面，是否会对实验结果产生影响呢？你看这就强行的把意识加进去了。可以很负责任的告诉大家，即便我们在夹缝旁边放一个摄像机，也不会改变实验结果，因为你什么也看不到！和旁边站不站人也没有关系。根本原因就是我们并不会对电子产生任何影响。
可是问题就来了，那我们怎么还说旁边放个摄像机是思想实验呢？说的好像跟真事儿是的。这也是个误解，放摄像机只表示我们获得电子的路径信息的一种手段，你就理解成一种通俗的比喻，那不用摄像机我们怎么去获得电子具体通过了哪个夹缝呢？
有办法，最经典的就是量子擦除实验。直接来说结论：就一句话，互补性原理。啥意思呢？
粒子性和波动性是互补的，你用粒子性的手段去探测光子或者电子，那么它就会表现出粒子性给你看。比如说我想知道电子具体通过哪个夹缝了，这是粒子的性质，因为只有粒子具有具体的位置信息，所以你一旦获得了路径信息，那么干涉图样就会消失。但是当我把路径信息擦除掉，干涉图样就又回来了。这是双缝实验神奇的地方，也是量子力学的核心内容。
但是具体人们是如何获得路径信息的，反正不是使用摄像机，和人的意识也一毛钱关系都没有。
所以你说双缝实验神不神奇？神奇，神奇在粒子性和波动性的互补上，你用什么性质去探测它就展示什么性质给你看。但不是神奇在摄像机、意识上，摄像机只表示获得路径信息的方式，说白了就是打个通俗易懂比方？我就只能说成这样了，再往深了说就得涉及公式了，我也不会！

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一、双缝干涉分光和电子两种，但其实验结果并不能证明光和电子本身具有波动性。因为光的双缝干涉是由双缝的四条缝边缘产生的次生光在屏幕上叠加的结果；而电子双缝干涉是由于双缝间隙中的、由缝边缘产生的电磁辐射使路经的电子改变运动方向，从而导致电子落在屏幕上的位置发生有规律的变化；
二、双缝干涉实验并不是什么理论，而是一种物理实验。但设计此理论的人员对光和电子的本质是存在严重的错误与偏差的。无论单个电子如何运动，其运动方式都不能称作波动。因为只有二个或二个以上粒子的相关性运动才有可能产生波动现象；光是变化的电场和磁场，本身并不能脱离电荷而单独存在，更不能相互激励而形成所谓的电磁波。因此，光本身是不存在波动性的；
三、要验证电子双缝干涉实验结果是由双缝间隙中的电磁辐射导致的电子偏转效应不难：在同一实验条件下测量双缝板的多种不同温度时的电子偏转图像，如果图像随温度变化，就能证明电子的偏转是由缝隙间的电磁辐射导致的；
四、电子双缝实验结果中的干涉条纹只能是电子分布不均匀导致的，不可能是像光的干涉那样出现电子的相互叠加或相互抵消而形成干涉条纹。因为电子是同时携带质量和电荷的客观实体，不可能出现两个电子相遇而成为其他物质甚至消失。否则，就破坏了质量、电荷、动能与动量守恒定律了！
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双缝实验的解释说难也不难。总的说是粒子运动具有波动性，粒子运动实际上与宏观物体的运动规律是相同的。比如一个人在空旷的广场上由东向西走，它的运动轨迹是一条直线。但是当广场上均匀的分布着人的时候，一个人从东到西只能在人群中穿行，遇到正面的人只能绕过去，这样人的行进轨迹就是一条曲线了，可以说这个人是波动的。同理，一个光子如果在空无一物的空间运动，靠惯性之一定是沿一条直线运动。但是空间并不是空无一物的，而是存在着大量的作随机碰撞运动的混沌光子，光子在混沌光子中穿行时，会与混沌光发生弹性碰撞。这些碰撞使光子沿一条螺旋折线式的轨迹运动，类似于波，由于这螺旋折线偏离直线非常小，所以光线在宏观上是直线传播，同时具有波动性。所以光是实物粒子一一光子以波的形式运动。