科学探索之双缝干涉实验中幽灵般的粒子

要想看看量子论的诡异之处，最经典的莫过于电子或者光子的双缝干涉实验了，由托马斯·杨设计的这个实验，本意在检验光的波动性，却没想到成为了科学史上最经典的物理实验之一，将科学史上关于光的本质研究的波动-粒子之战推向了高潮。

为简单起见，我们只讨论电子的双缝干涉实验。具体的实验环境可能不是图中那样简单，但这无妨对其原理的探讨。

当人们将一束电子经过双缝打到显示屏上时，人们在想：一堆小球打过去，就像我们踢足球一样，在墙上会形成两道条纹吧。可是，实验结果却显示，形成的是像光波一样的干涉条纹！

这是怎么回事呢？我们打过去的不是一堆小球吗？为什么会像波一样发生干涉呢？

这时，人们猜想，会不会是大量电子互相作用才造成这样的呢？它们你挤我，我挤你的，确实有可能造成干扰，虽然不一定形成干涉条纹，但还是应该把这种可能性排除掉。于是，人们改进了实验装置，这次，他们一个个地发射电子，看看电子们到底干了些什么奇怪的事情。

实验持续了一段时间。当越来越多的电子被打过去时，人们才真正发现电子干涉条纹是怎么形成的了。原来，当一个电子被打过去时，屏幕上只出现一个亮点，更多的电子过去，就有更多的亮点出现。初看起来，这些点杂乱无章，而随着时间的推移，人们才逐渐发现：大量的电子形成的大量的点逐步组成了干涉条纹！原来是这样！电子们好像遵循着一种默契，共同完成了这项艰巨的任务！怎么会这样？

一个电子是如何“知道”它应该出现在什么地方的呢？它是自己和自己发生了干涉吗？在自我干涉后，它又是如何变为了一个小点呢？在通过双缝的运动规程中，它到底通过了哪条缝呢？

这些问题不断困扰着人们。于是，聪明的科学家们想出了一个办法，他们要窥探电子的动向，他们在两个缝都安装了检测仪器，人们要看看电子到底从哪条缝通过了。我们要监视它，来看看它在中间这段路程上偷偷干了些什么事情。

然而，量子世界的奇异却超出人们的想象，当人们去监测它到底通过了哪条缝时，电子倒是确实老老实实地从某一个缝过去了。可是，这同时，干涉条纹也消失了！屏幕上出现的是两条经典亮条纹！电子就好像是提前知道了我们的意图，估计和我们作对，难道电子是一种有意识的存在？

人们被这样的实验结果迷惑不已。如何理解这样的现象呢？

量子论的奠基人之一波恩对此作出了解释：电子和光一样，是具有波粒二象性的，实际上所有的微观粒子都是如此。根据薛定谔的波动方程，波恩创造了著名的概率解释：当我们不去观测的时候，电子就是一团波，它无处不在，又无处可在，量子论称这波为概率波，也就是说，它有一定的概率出现在什么地方。在通过双缝时，这概率波进行了自我干涉，以决定电子有可能在显示屏上打到什么位置。然后，当电子到达显示屏，我们要对它进行观测时，电子就必须现形了，它必须出现在一个位置！于是，它按照那个概率分布，在某个位置化作了一个亮点，出现在我们眼前。虽然一个电子的出现是随机的，但大量电子却是符合概率分布的，于是，当大量电子出现的时候，便形成了干涉条纹。这就像扔一万次硬币基本是五千次朝上五千次朝下一样，扔得越多，越趋向于1:1的概率。量子论称由概率分布到一个点的这个过程为“坍缩”，而一次观测行为将导致坍缩。

这是不是太奇怪了？微观世界为什么和我们的日常经验格格不入？

当我们不观察时，它处于一种叠加态，它无处不在。当我们观察时，它就出现在了概率分布的某一个位置。量子的叠加态正是这奇怪的根源！我们从未见过一个宏观物体处于叠加态之中。一个人可能既在北京又在上海吗？不可能，人没有分身术。可是，一个粒子就可以，理论上来说，它确实有一定几率既在你眼前，又远在天边。

这样的解释让人们产生了很多质疑，也因此，量子论从诞生之日起就饱受争议，被不断地攻击。就连量子的创始人普朗克、薛定谔、爱因斯坦这样伟大的科学家，也试图找出它的漏洞，以从根本上将量子论颠覆掉。然而，一个个精确的实验，却一次次击碎了人们的梦想。量子论逐渐成为了一个工具，人们觉得，好用就行了，干吗非要理解它呢？就像鸵鸟一样，将头埋在沙里，不去看它吧。

然而，追寻真理的人们却总不甘心，一直试图找寻其背后的内涵。叠加、坍缩、意识、幽灵般的超距作用，种种怪象困惑着我们，但也令我们兴奋不已，让我们思考宇宙的终极奥秘。多宇宙、隐变量、多历史、自发定域，种种解释也没能彻底推翻量子论，从实验和原理角度将其证伪。或者，难道我们眼前的一切都是幻想，如黑客帝国般，是人工智能或高级文明制造的虚拟世界？从理论上来说，也不是没有这个可能。

双缝干涉实验引领人们发现了宇宙深藏的奥秘，而背后的哲学思考仍令我们迷惑不已，希望未来能够有人解决这个难题。