「少年時」《物質的本源——基本粒子和它們的相互作用》截圖
在微觀世界裡，粒子的行為和我們在宏觀世界看到的物質的行為是不一樣的，也有違我們的直覺和常識。量子力學為我們研究微觀世界打開了一道大門，它用完美的數學解釋了微觀物理世界很多奇異的現象。在量子力學誕生後近一百年的時間裡，一直存在著論爭；科學家也一直在設計各種實驗，來驗證關於粒子奇異行為的理論，揭示量子世界的本質，其中最有影響力的實驗就是單電子雙縫實驗。
在19世紀初葉，科學界對於光到底是波還是粒子，存在涇渭分明的兩種觀點。
1801年，有一位年僅24歲的英國醫生，做了一個實驗，引起了科學界的轟動，為光的波動說提供了有力的證據。
託馬斯·楊
這位醫生叫託馬斯·楊，他做的實驗叫楊氏雙縫幹涉實驗。讓太陽光透過一個紅色的濾光鏡，再穿過一張開了一個小孔的紙，這樣就形成了一個比較集中的「點」光源；在紙後面再放第二張紙，在上面開了兩道平行的狹縫。
託馬斯·楊利用太陽光的雙縫實驗裝置
託馬斯·楊認為，如果光是粒子組成的，從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，會形成兩道條紋。
但是，實際觀測到的是一系列明、暗交替的條紋，這和水面上兩道漣漪相遇而形成的紋路一樣。幹涉現象是波特有的，因此如果出現了幹涉條紋，就證明了光是一種波。光波到了兩道狹縫處，形成了兩個波源。當左邊出來的波峰與右邊出來的波峰相遇的時候，強強疊加，就會變得更加明亮；而當左邊出來的波峰與右邊出來的波谷相遇的時候，相互抵消，就會變暗，從而在屏幕後面形成明暗相間的幹涉條紋。這個實驗，無可辯駁地證明了光是一種波。
兩列光波發生幹涉，波峰、波谷相互疊加和相互抵消的示意圖
楊氏雙縫實驗之後一百年，又有一位23歲的年輕人重做了這個實驗，又一次引起了學術界的轟動。
這位年輕人叫泰勒，他當時還是一位在讀研究生。
英國物理學家傑弗裡·泰勒
他研究了愛因斯坦的光量子論文，接受了光是一種粒子的理論。他在光源後加了一層煙燻玻璃，使得光的強度非常低，以至於可以把到達雙縫的光看作是一個個光子。這個「弱光」雙縫實驗，後來被解讀為單光子雙縫實驗，好比用一把「光子槍」，把光子一個一個地朝著雙縫發射。請注意，這裡的細節和重點是：光子是「一個接著一個」發射的，中間是有時間間隔的（約幾個毫秒），而不像楊氏實驗裡的光是一直亮著的。因為是非常弱的光，要在感光屏幕上留下光影，需要很長的曝光時間，整個實驗歷時三個月。
入射光束的強度降低到可以認為在任何時間間隔內，平均最多只有一個光子被發射出來，也叫單光子雙縫實驗
按照光子的粒子特性，當這些光子一個一個飛到雙縫前，有的被擋住，而穿縫而過的光子，應該在後面的探測屏幕上留下兩道痕跡。但是，實驗結果出人意料，記錄下來的是類似於楊氏雙縫實驗的幹涉條紋。
泰勒單光子雙縫實驗中產生的幹涉條紋
明明是一個個發射出去的光子，怎麼會產生類似于波幹涉條紋現象的呢？
如果一個光粒子從上面的縫穿過，而後面一個光子從下面的縫穿過，它們是先後隔開了幾個毫秒，到達屏幕不同的位置，既不同時也不同地，怎麼可能發生幹涉？
難道是光子在穿過縫隙的時候，「神奇」地一分為二，變成了兩個帶有「波」特性的東西，自己和自己發生了幹涉？
物理研究進入了困境，一方面，科學家需要為光是波還是粒子找到身份定位；另一方面，還要研究這些波或粒子的存在狀態是怎樣的、怎麼讓一個光子也能產生幹涉。
1924年，德布羅意出來「打圓場」了，他認為光既是粒子又是波，具「波粒二象性」。不僅光是如此，電子也是如此，所有的微觀粒子都是如此，都具波粒二象性。
1926年，為了描述微觀粒子的「波」的特性和微觀粒子的狀態隨時間變化的規律，天才的物理學家薛丁格研究出了一組波函數方程—薛丁格方程。通過解薛丁格方程，我們就可以得到「波函數」，也即得到微觀粒子系統的狀態。但是，薛丁格在發明這組方程的時候，並不清楚這個「波函數」到底在物理上是一個什麼樣的存在。
1926年，玻恩解釋了薛丁格方程的「波函數」對應的物理意義。在玻恩看來，光子不是確鑿的粒子，而是某一時刻在某一點附近發現粒子的概率；而無論德布羅意提出的「物質波」還是薛丁格方程中的波函數所描述的，都不像經典波（如水波）那樣代表什麼實在的物理量在空間分布的波動，而只不過是刻畫粒子在空間的概率分布的概率波而已。
光子在穿過縫隙的時候，確實「神奇」地變成了兩個帶有「波」特性的東西，而這個「波」既然是概率波，那麼它就可以既出現在這一條縫，又出現在另一條縫，讓自己和自己發生了幹涉—這夠神奇吧？
既然粒子的出現只是概率，那麼我們能否用測量儀器來探測微觀粒子在什麼地方呢？波恩認為，在我們測量之前，微觀粒子既在這裡，也在那裡，以一定概率存在。等到我們測量時，粒子就會選擇一個單一結果表現出來。這也叫作「波函數坍縮」，這時粒子會決定它的位置！
不同能量狀態下氫原子中電子能夠被觀測到的概率由亮度表示，圖中越亮的位置，電子在該位置被觀測到的概率就越高。這就是電子的波函數
如果我們把波函數比作骰子的話，那麼「波函數坍縮」就是骰子落地的時候。這個「概率波」和「波函數坍縮」解釋，是量子力學著名的「哥本哈根詮釋」的重要部分。
玻恩的理論太過驚世駭俗，和人們長期以來形成的直覺相衝突，當時並不被大部分物理學家理解和接受。因此，他直到 1954 年才獲得諾貝爾物理學獎。在近30年之後，大家才普遍承認他的理論。
在「弱光」（單光子）雙縫實驗過了50多年之後，物理學家費曼在1961年提出了用電子來做雙縫實驗。讓電子槍一個一個地發射電子，通過雙縫後，屏幕上會得到幹涉條紋。由於這個實驗需要縫隙和間距在納米量級（10-9m），在當時的技術條件下，只能是一個思想實驗。
美國物理學家費曼和他的思想實驗
德國科學家瓊森和他的電子束雙縫實驗結果
1961年，德國科學家瓊森將一束電子（注意是一束，而不是單個電子）加速到50KeV，讓其通過縫寬為a=5x10-5m、間隔為d=2x10-6m的雙縫，當電子束通過雙縫撞擊到螢光屏時，發現了幹涉條紋。這個實驗類似於楊氏雙縫實驗的電子版。
1974年，義大利科學家Merli、Missiroli和Pozzi用「單電子」來實驗，並用電子雙菱鏡來代替雙縫（注意不是雙縫）。讓電子有間隔地、一個一個發射出去。然後，在螢屏上記錄電子的位置。當電子一個一個地累積起來的時候，最終的圖像顯示了幹涉條紋。
義大利科學家和他們的單電子雙縫實驗結果——隨著時間推移形成幹涉條紋
這個單電子的雙縫實驗，在2002年被《物理世界》的讀者投票選為物理史上最美的實驗（排名第一），而1801年的「原版」楊氏雙縫幹涉實驗排在第五。
而真正實現費曼提出的單電子雙縫實驗的，是科學家羅傑·巴赫（Roger Bach）等人（2013年）。實驗中的雙縫的寬度為62納米，中心間隔272納米。在這個實驗中，兩個狹縫都可以隨意機械式地打開和關閉，最重要的是，它具備了一次檢測一個電子的功能。
單電子的雙縫實驗證明了量子力學的正確性：
電子具備「波粒二象性」，既是粒子，又是波。
電子的位置和概率，由薛丁格的「波函數」方程決定。
我們對電子進行觀察的時候，「波函數坍縮」在屏幕上顯示為一個點的電子。
「少年時」《物質的本源——基本粒子和它們的相互作用》截圖，圖下顯示宏觀和微觀不同物質所發生的幹涉和不幹涉情況的比較
前面我們提到了量子力學「波函數坍縮」這個概念，也就是說通常微觀粒子既在這裡，也在那裡，位置不定，而當我們測量它時，粒子就會選擇呈現自己的確切位置。
按照量子力學的解釋，科學家提出了如下的思想實驗：
如果在雙縫後面的上方，放一個光子探測器，可以檢測到並記錄從上面的縫隙經過的光子。此時，我們會得到讓人腦洞大開的結果：
首先，探測器會記錄到有一半的光子經過上面的縫隙。
然後，後面屏幕上的條紋，居然不再是幹涉條紋了，而是兩條痕跡。此刻，光子顯示出來的是粒子特性！
當對著雙縫的光子探測器工作時，幹涉條紋消失，意味著光呈現了粒子性
但是，如果我們把光子探測器關掉，後面屏幕上的幹涉條紋又神奇般地回來了！
當對著雙縫的光子探測器關閉時，幹涉條紋出現，意味著光呈現了波動性
這個思想實驗的最初版本還是費曼提出來的：費曼設想在單電子實驗的雙縫中間放一盞燈，當電子通過時，光子打到電子上產生散射，我們就可以看到電子是從哪一個縫通過的。
他分析到，光子撞到電子時會干擾電子，因此，他降低了光的強度。不過，就算只有一個光子，仍然有足夠的能量來幹擾。他進一步認為，要讓光子不幹擾電子，只能增大光的波長，也就是降低光子的能量。但是增大波長就會降低解析度，最後我們可能就看不清了，這就是不確定性原理。最後，他認為：只開燈，不觀測，也會讓幹涉條紋消失。
其實，在費曼這個思想實驗裡，觀測不觀測不重要，開燈本身就是宏觀世界對微觀世界幹擾了，這和單光子實驗裡安放「光子探測器」 的效果是一樣的。兩個版本的思想實驗，本質上是一樣的，就是實驗過程有沒有對粒子造成幹擾。
這是一個神奇的思想實驗，我們在雙縫後面有沒有做測量，會影響到後面屏幕上的條紋。
這就是量子力學的神奇之處：當我們沒有在雙縫後面觀察光子時，後面屏幕上的條紋由薛丁格方程來決定其概率分布；當我們在雙縫後面觀察光子的時候，就會出現我們上面提到的 「波函數坍縮」，光子以50%的概率穿過雙縫中的一條，到達屏幕。
玻爾對此的解釋是「互補理論」：光子和電子可以表現出波的特性或者粒子的特性，但我們在同一時刻只能觀測到它的一種特性，而無法同時觀測到兩種特性。當我們觀察到光子的粒子特性的時候，光子的波動性就消失了；當我們觀察到光子的波動性的時候，光子的粒子性就消失了。
在20世紀80年代，科學家做了「which-way」的雙縫實驗，在雙縫後面做探測，看粒子到底是從哪條縫裡經過的（這就是which-way的含義）。當這種探測是「深度騷擾」時，對粒子會產生影響，屏幕上的幹涉條紋會消失。而當這種探測只是「輕微騷擾」時，對粒子的影響不大，屏幕上的幹涉條紋仍然存在（當然，這種「輕微騷擾」的「淺淺一瞥」，並不能十分可靠地給出粒子經過哪一個縫隙的信息）。確實，我們在宏觀世界「看」， 這一眼看得「輕」還是看得「重」，會影響微觀世界粒子的行為。
2011年，義大利的科學家用幾層原子做成過濾器，作為「which-way」探測器。粒子經過沒有過濾器的縫隙時（相當於沒有被探測），受到彈性散射，變成柱形波；而粒子經過有過濾器的縫隙時（相當於被探測了），受到非彈性散射，變成球形波。球形波和柱形玻碰到一起，無法形成幹涉條紋。這從波形的角度解釋了為什麼「探測」這件事本身會影響到實驗結果。當科學家將過濾器厚度增大的時候，幹涉條紋消失；而過濾器很薄的時候，有微弱的幹涉條紋存在。
一種「which-way」實驗結果：粒子經過沒有被探測的縫隙時變成柱形波；而當它經過被探測的縫隙時，變成球形波
如果和上一個實驗結果結合起來，我們或許可以說，當我們探測時，「重重地看了一眼」，一下子把粒子變成了「球形波」，沒被看的粒子維持著「柱形」，「球形」「柱形」兩不相干了。
近來科學家又有新的創意和突破：他們使兩個粒子互相糾纏（可以想像成一對孿生的粒子），其中一個粒子用來做「which-way」的觀測，另一個粒子通過雙縫幹涉。這樣一來，科學家同時獲得了粒子特性和波的特性。
雙縫實驗和波粒二象的研究至今依然讓科學家著迷。
從1801年的楊氏雙縫光幹涉實驗到2013年的單電子雙縫實驗，一個簡簡單單的雙縫，間距只有幾釐米甚至幾十納米，卻前後跨越了二百多年，見證了光的波動性的漣漪、波粒二象性的神奇、薛丁格方程的美妙和量子力學的石破天驚。可以毫不誇張地說，正是雙縫，讓我們得以初窺微觀粒子世界的奇妙。
科學家也一直在設計進一步的實驗，來搞清楚到底是什麼引起「坍縮」，我們的測量手段本身在其中起了什麼作用，平行宇宙是否存在，量子糾纏到底是怎麼回事等等。通過探索這些未解之謎，科學家或許會對愛因斯坦「上帝不擲骰子」的觀點做出回答。
本文刊登於2018年8月出版的「少年時」系列《物質的本源——基本粒子和它們的相互作用》，作者為海上雲，他從事計算機網絡方面的研究開發，獲10多項美國專利，也是「少年時」專題編輯。
《少年時》系列出版物聚焦於探討全球熱議的新銳科學和人文話題，傳播國際教育新知和創新思維理念。《少年時》收集了世界級科學家和學者研究的48個熱門話題，從人類進化到人工智慧，從數學在西方到矽谷的演變，從幸福的科學到寫作等學科探究，引領中國現代少年明辨探究，實事求是，展開前沿科技的創新和維護人類文明的對話。
製作《少年時·物質的本源——基本粒子和它們之間的相互作用》的初衷，總編祝偉中是這麼說的：
1.在某種意義上，孩子接受基本粒子物理學的一些觀念，是不是比大人容易呢？因為他們對我們生活的宏觀世界的認知還沒有那麼根深蒂固。就如孩子越小學遊泳越容易那樣。
2.深究事物、追根溯源，是人類的本能，是人類的追求，更是現代人的素質和情懷。
3.我們不是用童書的方法來講基本粒子物理學，而是試圖用科普書的方式來講，也就是簡化、淺化物理書，讓大人小孩都適合看。而且剛好沿著學科發展的時間線，能夠由淺入深。從頭開始看，能看到哪一篇，就是哪一個層次。
4.基本粒子物理學跟我們的生活有沒有關聯呢？我們知道，基本粒子物理學的一個重要理論是量子力學，而現在的半導體物理就是基於量子力學的；沒有量子力學，就沒有計算機和一切電子設備，也就沒有我們的現代化社會。
編輯：霧裡熊