科學認識君的《通俗物理100課》系列

【第16課：光的雙縫幹涉實驗】

光到底是粒子還是波已經争論了幾百年了。以牛頓為代表的光的粒子論曾經占據上風，同時代的胡克是光波動說的領軍人物，波動說也曾占據上風！

光的波粒二象性可以算作是量子力學的入門基礎了。光的雙縫幹涉實驗對量子力學的重要性就相當于伽利略的斜坡實驗基于牛頓力學。要想入門量子力學必須要把驗證光的波粒二象性的實驗搞清楚。

關于牛頓粒子論和胡克波動論的孰是孰非，先别急着下結論，是騾子是馬拉出來溜溜就行了。

我們知道，物理學史有一個關于光本質的著名實驗。也就是托馬斯▪楊的雙縫幹涉實驗。

實驗原理很簡單。有一個光源發射器放在最前面，中間是一個開了雙縫的隔闆，後面是一個可以呈現光線分布的光屏。

首先，操作實驗的王麻子把雙縫中的一個堵住了，所以一開始是單縫實驗。

現在光線隻能通過一個縫射到光譜上，于是我們在光譜上看到明顯的衍射圖案。

左為牛頓，右為胡克想象圖

胡克會說：你們都看到了，我就說光是波。你們還不信！這個衍射圖案就好像水波經過一個細縫會擴散開來一樣。

光屏上的衍射圖案就像是凸起的金字塔

牛頓：胡克啊，你先别急着下結論。我的粒子論也可以解釋光的衍射現象。我把光粒子比喻成沙粒。站在二樓上，并在地上鑽鑿一個小洞，我現在二樓上不斷地往小洞内填沙子，最後一樓堆積的沙丘就像個金字塔形狀，而這就類似于光的衍射圖案，沙粒總會散散落落地分布在沙丘兩端，就像是衍射圖案的兩端輕微波動。在沙丘的右下角的點A處取一個垂直高度設為x(原諒我的繪畫水平)。

牛頓解釋的單縫衍射原理圖

胡克回怼牛頓到：小樣，嚣張哦！看我不整死你。于是大聲到：王麻子，給我把雙縫都打開，我倒是要看看光屏上會呈現什麼圖案！

王麻子：哇，結果出來了。好像是幹涉圖案喲！牛頓要輸了，胡克大大牛逼！

胡克：太好了！牛頓，你輸定了！你因為按照你的理論，當我打開雙縫時，光屏上的信息應該是兩個金字塔沙丘之和。那麼點A處的高度就應該是2x。

牛頓粒子論預言的幹涉實驗結果與事實不符

但是結果卻并不是，這是明暗相間的幹涉條紋。所以說，光是波，出現這種情況是因為波的相位疊加導緻的！

牛頓回怼胡克：閉嘴！你自己人不行，沒能力解釋而已。這是因為打開雙縫時，通過兩個小孔的光粒子發生了相互作用，它們糾纏在一起了，所以最後的結果當然不是兩個沙丘的簡單疊加。至于怎麼糾纏在一起，我也不知道，反正就是糾纏在一起了。

胡克此時懵了：這都能強行解釋？

王麻子：看來你倆第一回合是難分伯仲了。

胡克心想：明顯是我赢了好不好？怎麼就難分伯仲了？算了算了，不計較了，牛頓人品差也不是一天兩天的事了。曾經把我生前唯一的一幅畫像都燒毀了，導緻後人都不知道我長啥模樣，隻能靠想象揣摩我英俊的臉龐了。想着想着眼眶就濕潤了。

胡克複原圖

王麻子：胡大大，你怎麼哭了？瞧你那沒出息的樣！要不咱換一個玩法？之前我都是一次發射很多條光線。這次我一次發射一條光線，一條光線就是一個光子。看看實驗結果如何？

胡克：那行吧！

牛頓：趕緊開啟第二輪回合！

結果出來了，明暗相間的幹涉條紋依舊存在！不過比較圖案弱，畢竟一次才發射一個光子嘛，這是光強太弱導緻的。但不影響定性分析。

胡克：牛頓啊，認輸吧！我都說了光是波，隻有波才能解釋這種現象。波在遇到兩個細縫時被衍射開來，衍射之後的波再發生幹涉，所以才能在光屏上呈現出幹涉條紋。

牛頓：嗚嗚嗚......我不信，我不信！這一切都是假的，我在做夢，我不可能錯了。

就在胡克單方面宣布勝利的同時，王麻子說話了！

王麻子：等等......！我怎麼聽到光屏上發出咚...咚...的聲音。這表明光屏受到了周期性隆起的波包撞擊。

牛頓看到此場景瞬間振奮了起來，說到：胡克你來，你解釋一下這是咋回事？按照波動說，光波的能量是均勻分布的。即便光幹涉了，但光屏上的光波能量基本是均勻分布的。光波打到光屏上的聲音應該一直是滋滋滋滋....的微弱響聲。怎麼會出現滋滋滋...咚....滋滋滋...咚...的聲音呢？這“咚”聲的強度比滋滋聲高了無數倍。這就證明每一次“咚”聲就是光粒子打到光屏上的聲音。按照波動理論是無法解釋的，所以我的粒子論又對了！

王麻子看見牛頓自嗨，實在看不下了。就說：牛爺，你難道忘了我剛才一個個的發射光子時候，光譜上出現了明暗相間的幹涉條紋的那一幕了嗎？這個你還沒有解釋呢！你先把這個給我解釋了再自嗨也不遲。

牛頓此時啞口無言了，好像自己和胡克都不對！

現在我們知道了，這就是光的波粒二象性，我們不應該偏袒任何一方，隻要兩者結合起來才能解釋實驗現象，當然愛因斯坦說的光子可不是牛頓的光粒子。

波粒二象性

牛頓的光粒子是一種極小的實心球，在遇見障礙物可以反彈。而愛因斯坦的光子概念是光量子，是不可再分的，也是電磁波的能量單位，遇見障礙物會被吸收，吸收光子能量的原子核外電子處于激發态，再釋放出光子。

可是王麻子很固執，不信“邪”。光怎麼既是粒子也是波呢？這也太抽象了，光要麼粒子，要麼就是波。我倒是要看看光導緻是經過了哪個縫打到光屏上的。

于是王麻子把探測器放在了其中一個細縫的後面，于是幹涉條紋不見了。這是由于探測器吸收了光的能量導緻的，固然看不見幹涉條紋。

于是王麻子靈機一動，他把探測器拿遠一點，讓探測器發射用于測量的光子B，并撞擊通過細縫的光子A，反射回來的光子就攜帶了“光到底經過哪個小孔”的信息。(注意：這裡面有兩個光子，一個是經過擋闆細縫的光子A，一個是用來探測光子A路徑的光子B)

可是當王麻子探測光子的路徑後，卻發現幹涉條紋消失了。

因為光子B撞擊光子A後，導緻光子A動量改變，于是光的幹涉圖案消失了！所以測量行為決定性地幹擾了被測量粒子的運動。

事實上，我們測量宏觀物體也是用聲波，電磁波這樣的工具。一般情況用電磁波測量宏觀物體的機會更多。而電磁波就是光子的運動，光子是微觀粒子。也就是說我們平時用光子測量宏觀物體，而光子和宏觀物體的質能相差了無數倍。所以光子對宏觀物體的幹擾就完全忽略不計了。

但當我們用光子或其它粒子測量微觀粒子時，就會大大擾動被測量粒子。因為用于測量的粒子和被測量粒子的質能相差不了幾個數量級，測量行為必然導緻微觀粒子的運動規律驟變。這就是量子力學中的量子态的測量坍縮效應。

我們隻能說：光子不被測量時，處于波動性和粒子性的疊加狀态，這是波粒二象性的體現。德布羅意的物質波告訴我們：微觀粒子和宏觀物體都具有波粒二象性，隻不過宏觀物體的波動性不顯著罷了。這種抽象的概念也是量子力學的入門思想。