不可理喻的微觀世界：雙縫幹涉實驗

當你觀測光子路徑的時候，光子仿佛知道你在觀測！而你不觀測的時候，它就成了一種都有可能的隨機狀態。於是，雙縫幹涉實驗進入大家視野。一旦我們去看電子從哪個縫通過，這時候顯示屏就只有兩條亮線；然而不觀測，又出現了幹涉條紋。

雙縫幹涉實驗最早是在1801年被做出來的，當時實驗的目的是為了向世人證明：光是一種波而不是一種微粒，這個實驗非常有力地證明了光具有波才具備的自我幹涉性質。針對觀察對實驗的影響，薛丁格還假想了薛丁格的貓。

因為光是一種波，所以在通過雙縫之後，會發生幹涉現象，從而在屏幕後面形成明暗相間的條紋。

我們都知道電子是一種粒子，帶負電，並且圍繞著原子核運動。而1920年代的實驗就已經證明，一束電子流也能像一束光一樣在雙縫實驗中留下幹涉條紋，從而證明電子也是一種波，也具有波粒二象性。這似乎是高中物理知識，乍一聽好像也沒有什麼讓人震驚的。

但現在讓我們稍微改變一下實驗形式，不是發射電子流，而是一次只發射一個電子，會有什麼現象呢？這種一個一個地發射電子的方式，很像在射擊場打靶。如果靶子正中間也有兩道縫，然後用步槍一顆一顆地發射子彈，我們就能同時觀察在微觀和宏觀世界的異同。電子穿過縫隙會在屏幕上留下一個亮點，然後再發射第二個電子。而子彈穿過靶子上的縫隙也會在後面的牆上留下一個洞，之後再發射第二顆子彈。

在靶場，隨著我們打出的子彈數量的增加，穿過左右縫隙的的子彈會在牆壁上形成越來越多的彈孔（當然有很多子彈並沒穿過縫隙被靶擋住），而這些彈孔一開始可能不規律，但逐漸有的偏左（從左邊縫隙穿過），有的偏右（從右邊縫隙穿過）。如果你的槍法足夠好，也可能左面多右面少（只瞄著左面的縫隙打），或者右面多左面少（只瞄著右面的縫隙打）。總之，最終牆壁上會留下左右兩堆彈孔。

但是在實驗室，電子卻呈現了完全不同的一面。一開始，和子彈打靶一樣，穿過縫隙的電子在屏幕上留下的亮點也沒什麼規律，但逐漸的，規律開始顯現，但卻不是左右兩堆亮點，而是，明，暗，明，暗....的幹涉條紋！

沒錯，一個一個地發射，最終也表現出波一樣的特性！但這怎麼可能？每次只發射一個電子，每個電子怎麼知道自己最終要飛向「亮」的區域還是「暗」的區域？而且幹涉條紋是兩道波之間幹涉產生的，每次只發射一個電子，它和誰幹涉？難道...和自己？是的，自己和自己幹涉。

這就是我們要說的第一個關鍵，概率（量子力學中用波函數描述）。量子力學的解釋是，電子在到達左右縫隙的瞬間處在這樣一個狀態：既從左邊縫隙穿過，也從右邊縫隙穿過，既同時穿過兩道縫隙，也都沒穿過。它處在這四種可能同時發生的「疊加狀態」，每種可能的狀態對應一個概率。

還是讓人難以理解，子彈是一顆一顆穿過縫隙的，電子也是一個一個穿過縫隙的，怎麼會如此不同？如果我們在靶場上放一臺高速攝像機，就能看到子彈是從哪個縫隙穿過的。同樣，在電子穿過兩道縫隙的位置也放一臺，是不是也能看到電子是從哪道縫穿過的？是的，沒有什麼能逃過高速攝像機的眼睛，隨著電子一個一個的發射，我們果然能夠在攝像機中看到電子是從哪道縫隙穿過的。但是，當回過頭看屏幕，我們熟悉的幹涉條紋，消失了！！只剩下和子彈的彈孔一樣的兩堆亮點。而當我們撤下高速攝像機，繼續發射電子，幹涉條紋重新出現！甚至如果我們換了一臺速度沒那麼快，看得沒那麼清楚的中高速攝像機，幹涉條紋竟然也變得隱隱約約！似有似無！電子，就好像靈魂附體一樣，完全知道我們的一舉一動。

這正是我們要說的第二個關鍵，觀察（量子力學中叫做測量）。攝像機的作用，正是觀察，這一人的主觀動作。這也是讓量子力學變得神秘的主要因素之一。當你不去觀察的時候，量子給你一個不確定的，概率的結果。而當你觀察的時候，量子給你一個確定的，唯一的結果。人的主觀意志在微觀量子世界的決定性作用這一真實實驗結果，讓我們從根本上重新審視對這個世界的看法。我們所看到的世界是否只是真實世界無數可能中的一種？而正是我們的主觀意志讓我們看到了眼前這個世界的樣子？「你看到是因為你想要看到」。難道，意識真的能決定物質？

在我們陷入哲學問題的討論之前，還是先搞清楚，為什麼觀察在這裡起到決定性作用？在我們觀察的瞬間，到底發生了什麼？

我們日常所說的「觀察」或者「看見」，其實是光照射物體被反射或者漫反射到我們眼睛的視網膜上，如果光的波長在380nm到760nm之間的可見光範圍，我們就能夠「看見」這個物體。而反射進我們眼睛的光，正是由一個個「光子」組成的。對於攝像機也是一樣，光照射在物體上反射進鏡頭併到達底片形成圖像。沒有光，無論是眼睛還是攝像機都不能「看見」（夜視儀也是通過捕捉人眼看不到的紅外光，而非完全沒有光）。做個形象的比喻，當我們看見一個蘋果的時候，是無數光子撞到蘋果表面並被彈飛，其中彈進我們眼睛的部分並且屬於可見光範圍的光子，刺激我們的視網膜，最終讓我們「看見」。

當我們把同樣的情況放回到電子實驗室的時候，情況會有什麼不同呢？高速攝像機能夠捕捉到電子從哪個縫隙穿過，同樣是因為有光子或其他物質（比如其他可以被鏡頭感知的電磁波）「撞擊」到電子被反射進鏡頭從而被「看見」。然而與宏觀世界不同的是，電子是如此如此的小，只有10^-18次方米，光子對它的撞擊不會像撞擊蘋果一樣微不足道，而是深刻改變了電子的狀態。如果人眼本身就像高速攝像機一般具備高速錄影的能力，結果也是一樣，觀察者的觀察行為仍然會深刻地影響被觀察對象。因此，儘管我們希望「客觀」地對電子進行觀察和測量，卻只能得到一個不確定的被嚴重改變的測量結果。這個原理，就是著名的「不確定性原理」，也叫測不準原理。這就是為什麼觀察這一貌似主觀的意識在量子實驗中具有決定性作用。

事實上，我們也可以在宏觀世界理解不確定性原理。當我們說一件連衣裙是藍色的，它真的是藍色嗎？在日光下的人類視覺中是藍色，但是在一間掛滿大紅燈籠的屋子裡，這條裙子就是紫色的。而對於一隻狗或一隻貓來說這條裙子是灰色的，而一隻蜻蜓會告訴你這是一條五彩斑斕的裙子。那麼當我們嘗試問這條裙子真正的顏色，客觀的顏色，本質的顏色，都顯得沒有意義，因為這和觀察行為和觀察者戚戚相關。可以說，觀察者決定了裙子的顏色。

好吧，我們好像理解了「觀察」對電子的深刻影響。但是為什麼這個影響會讓電子的「波」的屬性消失並導致幹涉條紋的消失，而不是讓粒子屬性消失而不影響幹涉條紋的呈現呢？

當我們觀察電子從哪個縫隙穿過的時候，實際上是在測量「位置」信息，而位置信息是粒子的屬性。打個比方，你可以指出一個杯子在桌子上的確切位置，但卻沒法說海浪在哪個位置——它在everywhere。因此當我們嘗試測量電子從哪個縫隙穿過的時候，就表明了測量電子的粒子性的目的，此時，波動性便消失了。

因此，在用來觀察波動性的雙縫幹涉實驗裡，電子展現出波動性並呈現幹涉條紋。而在有攝像機觀察電子的位置信息即粒子特徵的時候，電子在雙縫實驗中展現出粒子性並留下兩堆亮點。電子這種具備波粒二象性但在測量中彼此排斥只會展現一種特徵的特性，在量子力學中稱為互補原理。

不確定性原理，互補原理，加上前面提到的概率，就是構成量子力學「哥本哈根詮釋」的核心理論。

對於光，我們現在都知道，光既不是波也不是粒子，只是能夠表現出波和粒子的性質，就像大象既不是牆也不是扇子。（光既不是波也不是粒子，而不是既是波也是粒子）對於這個宇宙而言，我們比盲人還要盲人。雙縫幹涉只是一個打開新世界的鑰匙，而不是唯心主義的避風港。