一束光打碎了物理学：双缝实验

1927 年，物理学家戴维孙和革末用一颗颗电子打向一面有两道细缝的挡板，试图弄清楚电子到底是粒子还是波。结果出来，所有人沉默了。

屏幕上出现了干涉条纹。

干涉，是波的专利。水波穿过两道缝时，两列波相遇、叠加、抵消，形成明暗相间的花纹。但电子是一颗颗打出去的，不是水波，它应该老老实实穿过某一道缝，在正后方留下一个小亮点。结果它没有。它在背后的屏幕上刷出了和波动一模一样的条纹。

这是量子力学留给我们的第一个无解之谜——也是理解整个量子世界的入口。

实验的三幕

让我们先退一步，从光开始。

19 世纪初，英国物理学家托马斯·杨做了一个后来被称为「杨氏双缝实验」的实验：用一束光照射带有两条细缝的挡板，光穿过两条缝后，在后方的屏幕上出现了明暗交替的条纹。1

这个结果证明了光是波。两缝射出的光波相互叠加：波峰遇波峰，亮；波峰遇波谷，暗。干涉条纹就这样成了「波动性」的铁证。

波在水面以同心圆方式向外扩散，两列波相遇时产生叠加与抵消

在牛顿之后沉寂了一百多年的波动说，就此翻盘。

事情在 1905 年再次被颠覆。

爱因斯坦发现，光在和金属表面打交道时，行为更像一颗颗子弹，而不是绵延的水波——你可以把光的「量」打到极低，低到一次只射出一个光子（即光量子）。2

于是，有人重新做了双缝实验，这次一次只射一颗光子，等它穿过缝、打到屏幕后，再射下一颗。

起初，每颗光子落点随机，屏幕上只有一堆散点。但随着光子越打越多，某种形状开始浮现——干涉条纹，一模一样的干涉条纹，又回来了。

一颗光子，穿过了哪道缝？两道？还是没有穿过，只是「出现」在了另一边？没有人能回答。

既然搞不清楚，那就在缝的旁边装一个探测器，看看每颗光子到底走的哪条路。

实验做了。探测器记录下了光子走的每一步。

干涉条纹消失了。

屏幕上变成了两条对应两道缝的亮斑——和子弹打出来的结果一模一样。「观测」这个动作本身，让光子选定了一条路，从此它就是粒子，不再是波。

撤掉探测器，干涉条纹回来了。

这里发生的不是测量仪器「打扰」了粒子之类的经典干扰——哪怕用最精巧的方式观测，哪怕把探测器做得无限小，结论不会变。量子力学告诉我们的是：

在没有被观测之前，光子同时走了两条路。

准确说，它处于「两种可能性的叠加」之中：可能穿过左缝，也可能穿过右缝，而且这两种可能性同时真实存在、真实干涉。一旦有东西试图「知道」它走了哪条路，叠加态就坍缩，光子被迫选边站。

多个波源同时存在时，叠加产生的干涉花纹是所有波共同作用的结果

这就是量子力学最核心的怪异之处：现实在被观测之前，没有确定的形态。

不是我们不知道它走了哪条路，而是它真的没有走「某一条路」。

双缝实验不是一个古老的历史趣闻。物理学家理查德·费曼曾说，这个实验「包含了量子力学唯一的谜」。3

它引出的问题，到今天仍没有完全解决：

这些问题催生了量子力学诠释领域一百年的争论，从哥本哈根诠释到多世界诠释，物理学家们至今没有共识。

但有一点是确定的：这个只需要一块挡板和两条缝的实验，把「物质是什么」这个问题彻底打开了。