什么是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)？

在量子力學(xué)里，雙縫實(shí)驗(yàn)（double-slit experiment）是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動(dòng)性與粒子性的實(shí)驗(yàn)。雙縫實(shí)驗(yàn)是一種“雙路徑實(shí)驗(yàn)”。

在這種更廣義的實(shí)驗(yàn)里，微觀物體可以同時(shí)通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑，從初始點(diǎn)抵達(dá)最終點(diǎn)。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態(tài)發(fā)生相移，因此產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

“可怕的”雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

假若光束是由經(jīng)典粒子組成，將光束照射于兩條相互平行的狹縫，則在探射屏應(yīng)該會(huì)觀察到兩個(gè)單縫圖樣的總和。但實(shí)際并不是這樣，如下圖所示，在探射屏顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。

由于亮度分布可以用波的相長(zhǎng)干涉與相消干涉這兩種干涉機(jī)制來解釋，意味著光是一種振動(dòng)波，這促使光波動(dòng)說被廣泛接受，也導(dǎo)致17、18世紀(jì)的主流理論“光微粒說”漸趨式微。

單獨(dú)粒子的干涉現(xiàn)象

隨著科技的快速進(jìn)步，使用能夠發(fā)射單獨(dú)電子的物理儀器來進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)，每一次最多只有一個(gè)電子通過雙狹縫，而不是一大群電子在很短時(shí)間間隔內(nèi)擠著要通過雙狹縫。值得注意的是，單獨(dú)電子似乎可以同時(shí)刻通過兩條狹縫，并且自己與自己干涉！

這解釋并不符合平常觀察到的離散物體的物理行為，人們從未親眼目睹老虎在同時(shí)刻穿越過兩個(gè)并排的火圈，這并不是很容易從直覺就能夠贊同的結(jié)果?？墒牵瑥脑拥礁鼜?fù)雜的分子，包括巴基球，這些微觀粒子都會(huì)產(chǎn)生類似現(xiàn)象。

延遲實(shí)驗(yàn)

更令人匪夷所思的還在后面，在1979年為紀(jì)念愛因斯坦誕辰100周年的討論會(huì)上，約翰·惠勒提出了“延遲實(shí)驗(yàn)”的構(gòu)想：對(duì)電子的雙縫干涉進(jìn)行了進(jìn)一步思考，并指出我們可以“延遲”電子的決定，使得它在已經(jīng)實(shí)際通過了雙縫屏幕之后，再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條。此種說法震驚當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)界。

眾多科學(xué)家紛紛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是：在確定電子通過雙縫之后，迅速在擋板前放置高速攝像機(jī)時(shí)并沒有出現(xiàn)干涉條紋；反之，在電子通過雙縫后，迅速移除高速攝像機(jī)，干涉條紋還出現(xiàn)！這說明，“我”是否放置攝像機(jī)將影響電子以怎樣的方式通過雙縫。也就是說“我”現(xiàn)在的一個(gè)行為，竟然決定了電子過去的行為！

“哥本哈根詮釋”與“薛定諤的貓”

哥本哈根詮釋

除了光子的發(fā)射時(shí)間與抵達(dá)探測(cè)屏?xí)r間以外，在這兩個(gè)時(shí)間之間任何其它時(shí)間，光子的位置都無(wú)法被確定；為了要確定光子的位置，必須以某種方式探測(cè)它；可是，一旦探測(cè)到光子的位置，光子的量子態(tài)也會(huì)被改變，干涉圖樣也因此會(huì)被影響。

所以，在發(fā)射時(shí)間與抵達(dá)探測(cè)屏?xí)r間之間，光子的位置完全不能被確定。

薛定諤的貓

設(shè)想在一個(gè)封閉的匣子里，有一只活貓及一瓶毒藥。當(dāng)衰變發(fā)生時(shí)，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識(shí)，貓可能死了也可能還活著。量子力學(xué)告訴我們，存在一個(gè)中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進(jìn)行觀察看看發(fā)生了什么，可貓既活又死違背了邏輯思維。

盡管如此，長(zhǎng)期以來物理學(xué)家們出于或許實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)：違反了薛定諤方程。

背后的意義

這樣稀奇古怪的事情說明了什么呢？

這說明，宇宙的歷史，可以在它實(shí)際發(fā)生后才被決定究竟是怎樣發(fā)生的！在薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)里，如果我們也能設(shè)計(jì)某種延遲實(shí)驗(yàn)，我們就能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再來決定貓是死是活！比如說，原子在1點(diǎn)鐘要么衰變毒死貓，要么就斷開裝置使貓存活。但如果有某個(gè)延遲裝置能夠讓我們?cè)?點(diǎn)鐘來“延遲決定”原子衰變與否，我們就可以在2點(diǎn)鐘這個(gè)“未來”去實(shí)際決定貓?jiān)?點(diǎn)鐘的死活！

這樣一來，宇宙本身由一個(gè)有意識(shí)的觀測(cè)者創(chuàng)造出來也不是什么不可能的事情。雖然宇宙的行為在道理上講已經(jīng)演化了幾百億年，但某種“延遲”使得它直到被一個(gè)高級(jí)生物所觀察才成為確定。我們的觀測(cè)行為本身參予了宇宙的創(chuàng)造過程！這就是所謂的“參與性宇宙”模型（The Participatory Universe）。