雙縫實驗

雙縫實驗 圖片來自百科知識

在量子力學裏，雙縫實驗（double-slit experiment）是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。在這種更廣義的實驗裏，微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑，從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移，因此產生干涉現象。另一種常見的雙路徑實驗是马赫-曾德尔干涉仪實驗。

雙縫實驗的基本儀器設置很簡單，如右圖所示，將像激光一類的相干光束照射於一塊刻有兩條狹縫的不透明板，通過狹縫的光束，會抵達照相膠片或某種探測屏，從記錄於照相膠片或某種探測屏的輻照度數據，可以分析光的物理性質。光的波動性使得通過兩條狹縫的光束相互干涉，形成了顯示於探測屏的明亮條紋和暗淡條紋相間的圖樣，明亮條紋是相長干涉區域，暗淡條紋是相消干涉區域，這就是雙縫實驗著名的干涉圖樣。

在古典力學 裏，雙縫實驗又稱為「楊氏雙縫實驗」，或「楊氏實驗」、「楊氏雙狹縫干涉實驗」，專門演示光波的干涉行為，是因物理學者托馬斯·楊而命名。假若，光束是以粒子的形式從光源移動至探測屏，抵達探測屏任意位置的粒子數目，應該等於之前通過左狹縫的粒子數量與之前通過右狹縫的粒子數量的總和。根據定域性原理（principle of locality），關閉左狹縫不應該影響粒子通過右狹縫的行為，反之亦然，因此，在探測屏的任意位置，兩條狹縫都不關閉的輻照度應該等於只關閉左狹縫後的輻照度與只關閉右狹縫後的輻照度的總和。但是，當兩條狹縫都不關閉時，結果並不是這樣，探測屏的某些區域會比較明亮，某些區域會比較暗淡，這種圖樣只能用光波動說的相長干涉和相消干涉來解釋，而不是用光微粒說的簡單數量相加法。

雙縫實驗也可以用來檢試像中子、原子等等微觀物體的物理行為，雖然使用的儀器不同，仍舊會得到類似的結果。每一個單獨微觀物體都離散地撞擊到探測屏，撞擊位置無法被預測，演示出整個過程的機率性，累積很多撞擊事件後，總體又顯示出干涉圖樣，演示微觀物體的波動性。

2013年，一個檢試分子物理行為的雙縫實驗，成功演示出含有810個原子、質量約為10000amu的分子也具有波動性。

理查德·費曼在著作《費曼物理學講義》裏表示，雙縫實驗所展示出的量子現象不可能、絕對不可能以任何古典方式來解釋，它包含了量子力學的核心思想。事實上，它包含了量子力學唯一的奧秘。透過雙縫實驗，可以觀察到量子世界的奧秘。

目录

敘述

假若光束是由古典粒子組成，將光束照射於一條狹縫，通過狹縫後，衝擊於探測屏，則在探射屏應該會觀察到對應於狹縫尺寸與形狀的圖樣。可是，假設實際進行這單縫實驗，探測屏會顯示出衍射圖樣，光束會被展開，狹縫越狹窄，則展開角度越大。如右圖所示，在探測屏會顯示出，在中央區域有一塊比較明亮的光帶，旁邊襯托著兩塊比較暗淡的光帶。

類似地，假若光束是由古典粒子組成，將光束照射於兩條相互平行的狹縫，則在探射屏應該會觀察到兩個單縫圖樣的總和。但實際並不是這樣，如右圖所示，在探射屏顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。 19世紀初，托馬斯·楊發表了一篇論文，《物理光學的相關實驗與計算》（Experiments and Calculations Relative to Physical Optics），詳細闡述這些實驗結果。由於亮度分佈可以用波的相長干涉與相消干涉這兩種干涉機制來解釋，意味著光是一種振動波，這促使光波動說被廣泛接受，也導致17、18世紀的主流理論─光微粒說─漸趨式微。但是後來20世紀初對於光電效應的理論突破演示出，在不同狀況，光的物理行為可以解釋為光是由粒子組成。這些貌似相互矛盾的發現，使得物理學家必須想辦法超越古典力學，更仔細地將光的量子性質納入考量。

使用雙縫實驗與各種不同衍生的變版來檢試單獨粒子的物理行為，這方法已成為經典的思想實驗，因為它能夠清楚地探討量子力學的核心謎題，它演示出對於實驗結果的理論預測能力所不可避免的基礎極限。

例如，稍微改變雙縫實驗的設計，在狹縫後面裝置探測器，專門探測光子通過的是哪一條狹縫，則干涉圖樣會完全消失，不再能觀察到干涉圖樣；替代顯示出的是兩個單縫圖樣的簡單總和。這種反直覺而又容易製成的結果，使得物理學者感到非常困惑不解。帢斯拉夫·布魯克納（Časlav Brukner）與安東·蔡林格精簡地表示如下： 觀察者可以決定是否裝置探測器於光子的路徑。從決定是否探測雙縫實驗的路徑，他可以決定哪種性質成為物理實在。假若他選擇不裝置探測器，則干涉圖樣會成為物理實在；假若他選擇裝置探測器，則路徑信息會成為物理實在。然而，更重要地，對於成為物理實在的世界裡的任何特定元素，觀察者不具有任何影響。具體而言，雖然他能夠選擇探測路徑信息，他並無法改變光子通過的狹縫是左狹縫還是右狹縫，他只能從實驗數據得知這結果。類似地，雖然他可以選擇觀察干涉圖樣，他並無法操控粒子會衝擊到探測屏的哪個位置。兩種結果都是完全隨機的。

尚未特別加以處理的光束是由很多光子組成的，為了要進一步了解雙縫實驗的物理行為，物理學者好奇地問，假設光子是一個一個的通過狹縫，那麼，會出現甚麼物理狀況？1909 年，為了解答這問題，傑弗里·泰勒爵士設計並且完成了一個很精緻的雙縫實驗。 這實驗將入射光束的強度大大降低，在任何時間間隔內，平均最多只有一個光子被發射出來。經過很久時間，累積許多光子於攝影膠片後，他發現，仍舊會出現類似的干涉圖樣。很清楚地，這意味著，雖然每次只有一個光子通過狹縫，這光子可以同時通過兩條狹縫，自己與自己互相干涉！物理大師保羅·狄拉克主張，每一個光子只與自己相互干涉。不同的光子絕對不會相互干涉。但是後來，物理學者做實驗發現，幾個光子也會彼此相互干涉。。

1961年，蒂賓根大學的克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）創先地用雙縫實驗來檢試電子的物理行為，他發現電子也會發生干涉現象。1974年，皮尔·梅利（Pier Merli) ，在米蘭大學的物理實驗室裏，成功的將電子一粒一粒的發射出來。在探測屏上，他也明確地觀察到干涉現象。2002年9月，约恩松的雙縫實驗，被《Physics World》雜誌的讀者，選為最美麗的物理實驗。

雙縫實驗的變版

單獨粒子的干涉現象

隨著科技的快速進步，現在已發展出來能夠可靠地發射單獨電子的物理儀器。使用這種單獨電子發射器來進行雙縫實驗，可以使得在任意時間最多只有一個電子存在於發射器與探測屏之間，因此，每一次最多只有一個電子通過雙狹縫，而不是一大群電子在很短時間間隔內擠著要通過雙狹縫。值得注意的是，如右圖所示，探測屏累積很多次電子衝擊事件之後，會顯示出熟悉的干涉圖樣。從這圖樣可以推論，單獨電子似乎可以同時刻通過兩條狹縫，並且自己與自己干涉。這解釋並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刻穿越過兩個並排的火圈，這並不是很容易從直覺就能夠讚同的結果。可是，從原子到更複雜的分子，包括巴基球，這些微觀粒子都會產生類似現象。

不論是電子、中子或是任何其它量子尺寸的粒子，在雙縫實驗裏，粒子抵達探測屏的位置的機率分佈具有高度的決定性。量子力學可以精確地預測粒子抵達探測屏任意位置的機率密度，可是，量子力學無法預測，在什麼時刻，在探測屏的什麼位置，會有一個粒子抵達。這無可爭議的結果，是經過多次重複地實驗而得到的。這結果給予了科學家極大的困惑，因為無法預測粒子的抵達位置，這意味著沒有任何緣由而發生的粒子的抵達事件。很多物理學者非常不願意接受的這種事實。。儘管量子力學可以正確地預測實驗結果，量子力學不能解釋為什麼會發生這類現象，為甚麼粒子似乎可以同時通過兩條狹縫？阿爾伯特·愛因斯坦認為，從這裡可以推論量子力學並不完備，一個完備的理論必須對這些難題給出滿意解釋。尼爾斯·玻爾反駁，這正好顯示出量子力學的優點，量子力學不會用不恰當的古典概念來解釋這種量子現象，如果必要，量子力學可以尋找與應用新的概念來解釋這些難題。

探測路徑信息

試想一個思想實驗，假設裝置探測器來觀察光子到底是從那一條狹縫經過，因此能夠獲得路徑信息（不論是否真正讀取這路徑信息），則干涉圖樣會消失。這種路徑實驗演示出粒子性與波動性的互補原理，光子可以表現出粒子性，也可以表現出波動性，但不能同時表現出粒子性與波動性。雖然這思想實驗對於量子力學的基礎理論極為重要，直到1970年代，沒有出現任何可能的技術體現這思想實驗的提議。實際而言，這類實驗也無法簡單地設置，因為舊式探測器會將光子吸收。但現今，已完成多個實驗展示關於互補性的各各方面，例如量子擦除實驗。

於 1987 年完成的一個實驗發現了一個驚人的結果，假若只獲得部分路徑信息，則干涉圖樣不會完全消失。這實驗顯示，假若測量的動作不過度攪擾粒子的運動，則干涉圖樣也只會對應地被改變。在恩格勒-格林柏格對偶關係式，有對於這方面量子行為的詳細數學論述。