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双缝实验 图片来自百科知识

在量子力学里，双缝实验（double-slit experiment）是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。在这种更广义的实验里，微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径，从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移，因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。

双缝实验的基本仪器设置很简单，如右图所示，将像激光一类的相干光束照射于一块刻有两条狭缝的不透明板，通过狭缝的光束，会抵达照相胶片或某种探测屏，从记录于照相胶片或某种探测屏的辐照度数据，可以分析光的物理性质。光的波动性使得通过两条狭缝的光束相互干涉，形成了显示于探测屏的明亮条纹和暗淡条纹相间的图样，明亮条纹是相长干涉区域，暗淡条纹是相消干涉区域，这就是双缝实验著名的干涉图样。

在古典力学 里，双缝实验又称为“杨氏双缝实验”，或“杨氏实验”、“杨氏双狭缝干涉实验”，专门演示光波的干涉行为，是因物理学者托马斯·杨而命名。假若，光束是以粒子的形式从光源移动至探测屏，抵达探测屏任意位置的粒子数目，应该等于之前通过左狭缝的粒子数量与之前通过右狭缝的粒子数量的总和。根据定域性原理（principle of locality），关闭左狭缝不应该影响粒子通过右狭缝的行为，反之亦然，因此，在探测屏的任意位置，两条狭缝都不关闭的辐照度应该等于只关闭左狭缝后的辐照度与只关闭右狭缝后的辐照度的总和。但是，当两条狭缝都不关闭时，结果并不是这样，探测屏的某些区域会比较明亮，某些区域会比较暗淡，这种图样只能用光波动说的相长干涉和相消干涉来解释，而不是用光微粒说的简单数量相加法。

双缝实验也可以用来检试像中子、原子等等微观物体的物理行为，虽然使用的仪器不同，仍旧会得到类似的结果。每一个单独微观物体都离散地撞击到探测屏，撞击位置无法被预测，演示出整个过程的机率性，累积很多撞击事件后，总体又显示出干涉图样，演示微观物体的波动性。

2013年，一个检试分子物理行为的双缝实验，成功演示出含有810个原子、质量约为10000amu的分子也具有波动性。

理查德·费曼在著作《费曼物理学讲义》里表示，双缝实验所展示出的量子现象不可能、绝对不可能以任何古典方式来解释，它包含了量子力学的核心思想。事实上，它包含了量子力学唯一的奥秘。透过双缝实验，可以观察到量子世界的奥秘。

叙述

假若光束是由古典粒子组成，将光束照射于一条狭缝，通过狭缝后，冲击于探测屏，则在探射屏应该会观察到对应于狭缝尺寸与形状的图样。可是，假设实际进行这单缝实验，探测屏会显示出衍射图样，光束会被展开，狭缝越狭窄，则展开角度越大。如右图所示，在探测屏会显示出，在中央区域有一块比较明亮的光带，旁边衬托著两块比较暗淡的光带。

类似地，假若光束是由古典粒子组成，将光束照射于两条相互平行的狭缝，则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样，如右图所示，在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。 19世纪初，托马斯·杨发表了一篇论文，《物理光学的相关实验与计算》（Experiments and Calculations Relative to Physical Optics），详细阐述这些实验结果。由于亮度分布可以用波的相长干涉与相消干涉这两种干涉机制来解释，意味著光是一种振动波，这促使光波动说被广泛接受，也导致17、18世纪的主流理论─光微粒说─渐趋式微。但是后来20世纪初对于光电效应的理论突破演示出，在不同状况，光的物理行为可以解释为光是由粒子组成。这些貌似相互矛盾的发现，使得物理学家必须想办法超越古典力学，更仔细地将光的量子性质纳入考量。

使用双缝实验与各种不同衍生的变版来检试单独粒子的物理行为，这方法已成为经典的思想实验，因为它能够清楚地探讨量子力学的核心谜题，它演示出对于实验结果的理论预测能力所不可避免的基础极限。

例如，稍微改变双缝实验的设计，在狭缝后面装置探测器，专门探测光子通过的是哪一条狭缝，则干涉图样会完全消失，不再能观察到干涉图样；替代显示出的是两个单缝图样的简单总和。这种反直觉而又容易制成的结果，使得物理学者感到非常困惑不解。帢斯拉夫·布鲁克纳（Časlav Brukner）与安东·蔡林格精简地表示如下： 观察者可以决定是否装置探测器于光子的路径。从决定是否探测双缝实验的路径，他可以决定哪种性质成为物理实在。假若他选择不装置探测器，则干涉图样会成为物理实在；假若他选择装置探测器，则路径信息会成为物理实在。然而，更重要地，对于成为物理实在的世界里的任何特定元素，观察者不具有任何影响。具体而言，虽然他能够选择探测路径信息，他并无法改变光子通过的狭缝是左狭缝还是右狭缝，他只能从实验数据得知这结果。类似地，虽然他可以选择观察干涉图样，他并无法操控粒子会冲击到探测屏的哪个位置。两种结果都是完全随机的。

尚未特别加以处理的光束是由很多光子组成的，为了要进一步了解双缝实验的物理行为，物理学者好奇地问，假设光子是一个一个的通过狭缝，那么，会出现甚么物理状况？1909 年，为了解答这问题，杰弗里·泰勒爵士设计并且完成了一个很精致的双缝实验。 这实验将入射光束的强度大大降低，在任何时间间隔内，平均最多只有一个光子被发射出来。经过很久时间，累积许多光子于摄影胶片后，他发现，仍旧会出现类似的干涉图样。很清楚地，这意味著，虽然每次只有一个光子通过狭缝，这光子可以同时通过两条狭缝，自己与自己互相干涉！物理大师保罗·狄拉克主张，每一个光子只与自己相互干涉。不同的光子绝对不会相互干涉。但是后来，物理学者做实验发现，几个光子也会彼此相互干涉。。

1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）创先地用双缝实验来检试电子的物理行为，他发现电子也会发生干涉现象。1974年，皮尔·梅利（Pier Merli) ，在米兰大学的物理实验室里，成功的将电子一粒一粒的发射出来。在探测屏上，他也明确地观察到干涉现象。2002年9月，约恩松的双缝实验，被《Physics World》杂志的读者，选为最美丽的物理实验。

双缝实验的变版

单独粒子的干涉现象

随著科技的快速进步，现在已发展出来能够可靠地发射单独电子的物理仪器。使用这种单独电子发射器来进行双缝实验，可以使得在任意时间最多只有一个电子存在于发射器与探测屏之间，因此，每一次最多只有一个电子通过双狭缝，而不是一大群电子在很短时间间隔内挤著要通过双狭缝。值得注意的是，如右图所示，探测屏累积很多次电子冲击事件之后，会显示出熟悉的干涉图样。从这图样可以推论，单独电子似乎可以同时刻通过两条狭缝，并且自己与自己干涉。这解释并不符合平常观察到的离散物体的物理行为，人们从未亲眼目睹老虎在同时刻穿越过两个并排的火圈，这并不是很容易从直觉就能够赞同的结果。可是，从原子到更复杂的分子，包括巴基球，这些微观粒子都会产生类似现象。

不论是电子、中子或是任何其它量子尺寸的粒子，在双缝实验里，粒子抵达探测屏的位置的机率分布具有高度的决定性。量子力学可以精确地预测粒子抵达探测屏任意位置的机率密度，可是，量子力学无法预测，在什么时刻，在探测屏的什么位置，会有一个粒子抵达。这无可争议的结果，是经过多次重复地实验而得到的。这结果给予了科学家极大的困惑，因为无法预测粒子的抵达位置，这意味著没有任何缘由而发生的粒子的抵达事件。很多物理学者非常不愿意接受的这种事实。。尽管量子力学可以正确地预测实验结果，量子力学不能解释为什么会发生这类现象，为甚么粒子似乎可以同时通过两条狭缝？阿尔伯特·爱因斯坦认为，从这里可以推论量子力学并不完备，一个完备的理论必须对这些难题给出满意解释。尼尔斯·玻尔反驳，这正好显示出量子力学的优点，量子力学不会用不恰当的古典概念来解释这种量子现象，如果必要，量子力学可以寻找与应用新的概念来解释这些难题。

探测路径信息

试想一个思想实验，假设装置探测器来观察光子到底是从那一条狭缝经过，因此能够获得路径信息（不论是否真正读取这路径信息），则干涉图样会消失。这种路径实验演示出粒子性与波动性的互补原理，光子可以表现出粒子性，也可以表现出波动性，但不能同时表现出粒子性与波动性。虽然这思想实验对于量子力学的基础理论极为重要，直到1970年代，没有出现任何可能的技术体现这思想实验的提议。实际而言，这类实验也无法简单地设置，因为旧式探测器会将光子吸收。但现今，已完成多个实验展示关于互补性的各各方面，例如量子擦除实验。

于 1987 年完成的一个实验发现了一个惊人的结果，假若只获得部分路径信息，则干涉图样不会完全消失。这实验显示，假若测量的动作不过度搅扰粒子的运动，则干涉图样也只会对应地被改变。在恩格勒-格林柏格对偶关系式，有对于这方面量子行为的详细数学论述。