开门见山地说,双缝干涉实验不恐怖,但是难以理解。
即使对于物理专业的学生来说,一开始接触到量子力学的双缝干涉实验时,也会嗅到有一丝玄学的味道。因为测量和叠加态这两个在量子力学中的玄学概念在双缝干涉实验中的完美展示,双缝干涉实验开始进入大众的视野。
如果你完全理解了双缝干涉实验,你才算有点理解了量子力学。
其实双缝干涉实验的历史悠久,这个故事始于光的“波动说”的一次阶段性胜利。光是波还是粒子,一直都是物理学争论的核心议题。整个18世纪,在超级学霸牛顿的压制下,波动说一直暗无天日。转折出现在19世纪的开头,英国物理学家托马斯杨就观测到将光束照射于两条相互平行的狭缝,在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。
要知道干涉衍射是波所独有性质,而这显然的结果,使得波动说获得了空前的鼓舞。理解经典的杨氏干涉其实很简单,就是从两个缝射出的波,其振幅和相位在空间上的分布不同,相位相同的区域振幅相加呈现亮条纹,相位差异的区域振幅相减呈现暗条纹。
所以说经典的杨氏干涉实验不恐怖,它是波动说的决定性证据!
Fig. 1 经典双缝干涉示意
Fig. 2 本科实操的双缝干涉实验
真正让人难以理解的是量子力学中的双缝干涉实验。这里我们做三个思想实验(Fig.3)来一步步理解:(注意这里是思想实验,为了方便和经典比对,继续使用了光子,其实如果考虑实际操作的话用电子来描述更为严谨,原因在回答末尾)