為什麼說雙縫幹涉實驗恐怖?到底恐怖在哪裡?

雙縫幹涉實驗所顯示出來的結果是20世紀科學家集體遭遇的一次「靈異事件」，在這個簡單的實驗中微觀世界的基本本質，疊加態、不確定性、觀察者效應展現的淋漓盡致。

而這三個現象又是如此的燒腦、違反直覺、毀人三觀，所以我們常說雙縫幹涉實驗的結果讓人覺得後背發涼，有那麼一點「恐怖」的感覺。

我們人類作為一個宏觀世界的一部分，在量子力學出現之前我們的科學認知都是建立在現實的確定性之上的，我們科學理論可以完美的解釋和預測宇宙中的任何現象。

例如，通過牛頓力學我們可以準確的預測一個事物未來的發展動向，前提是只要知道這個事物初始的狀態，以及它未來所經歷的相互作用。

1846年，我們更是利用物理和數學預測的方式準確的發現了海王星的位置，可以說這是人類宏觀世界科學的一次偉大勝利。

毫不誇張的說，如果有一臺超級強大的計算機，它可以根據已有的理論預測出宇宙中所有事物的未來，這就是現實世界的確定性，以及可預測性。

這不僅僅是我們普通人心裡的世界觀，也是20世界大部分科學家的世界觀，愛因斯坦也不例外。但是這一切都被一場物理學的「靈異事件」打破了。

是波還是粒子

微觀世界的尺度非常小，都是些原子、電子之類的小玩意，這些東西不僅在生活中看不到，就連科學家也一直被擋在門外，我們真正了解原子、建立模型也就是上個世紀的事。

但是有一個粒子經常在我們眼前晃來晃去，可以說晃了數百萬年，那時我們還是樹上的猴子，它就是光子！

雖然光子很常見，但是關於光是什麼？這個問題人類是想了幾千年，直到17世紀牛頓大哥才說光是微粒，是一種實物粒子。

不過當時就有人提出反對意見認為光是波，因為身為粒子的光無法解釋光的衍射現象，而且如果光是微粒的話為什麼我們看不見兩束光發生碰撞呢？這個人就是惠更斯。

由於惠更斯並拿不出任何實驗證據，再加之牛頓學霸當時在科學家的威望極高，所以光是微粒就得到人們的認可。

那麼關於光到底是什麼？就在科學界形成了兩個不同的派別：波派和粒派！

粒派所認為的粒子，我們可以將其想像成為一個個光滑的小球，它們遵循實物粒子的運動規律。也就是說，當你打開手電筒的一瞬間既有無數顆光顆粒向炮彈一個沿著直線向外飛奔。

除了牛頓之前所說的實物顆粒，普朗克和愛因斯坦後來也認為光是一種粒子，稱為光量子，這個光量子和牛頓的微粒有著本質的區別。量子是一份一份不可分割、且不連續的能量。

波派所認為的波，就類似於我們生活中常見的水波，有波峰、波谷，可以完美的解釋光的衍射和幹涉現象。

可問題是波和粒子是完全不同的東西，在現實生活中我們看到的事物它是實物粒子就是實物粒子，它是波就是波，不可能存在兩面性，我們也無法理解既是波又是粒子的事物。

硬幣不是正面就是反面，不可能有即使正面又是反面的硬幣，事物不是黑就是白，這就是現實的確定性。所以波派和粒派就持續撕逼了百年，不分勝負。

靈異實驗：雙縫幹涉

也許微觀世界有它自己的本質，也許它真的跟宏觀世界不一樣，也許宇宙真的需要兩套不同的理論去解釋，也是事物真的存在兩面性，也就是波粒二象性，而我們只是各執一詞、盲人摸象罷了。

那麼光到底是什麼？科學家決定做一個實驗，這個實驗可以完美探測波和粒子的不同特性。雙縫幹涉實驗其實特別簡單，就是在光源和探測屏幕之間放一個開了兩個狹縫的擋板。

然後用光源向擋板啪啪啪發射光子，然後觀察屏幕上的呈現。這個實驗無外乎兩種可能：

光就是粒子，就是我們所說的實物小球，或者是生活中的石子、子彈，當光經過中間的擋板時，大部分的光會被擋住，只有兩條狹縫可以允許光通過，並且光在屏幕上留下兩道槓。這就是粒子運動的典型特性。

光是波，它可以像水波那樣在經過兩條狹縫以後發生幹涉，波峰和波峰疊加，波谷和波谷疊加，波峰和波谷抵消，最後在屏幕上留下幹涉條紋，看起來就像是斑馬線。

第一次實驗，我們對準雙峰發射光束，實驗的結果是在屏幕上產生了明暗相間的幹涉條紋。這無疑說明，光確實是一種波，可以發生幹涉。

這是否就說明波派勝利了？其實不然，上面你是發射的光束，你能不能改成一個個光子來發射。也就是我們上文說的光量子。粒派認為這樣鐵定是兩道槓！

第二次實驗：重複做上述過程，一個一個發射光子，起初由於光子的數量很少，在屏幕上出現了雜亂無章的圖案，但是當光子數量增多時，神奇的事情發生了，屏幕上開始顯示出了幹涉條紋！

到這裡先不談波粒之間的競爭，因為出現了一個全新的問題，我們知道要想產生幹涉條紋，必須得有兩個波進行幹涉，這就是為什麼要開雙峰的原因，但縫的話任何波都不會產生斑馬線。

但是一個一個發射光子，單個光子要麼經過右狹縫、要麼經過左狹縫，單個光子在和誰發生幹涉？難道它同時經過了雙縫，並且和自己發生了關係？所以說波粒之爭的事情在雙縫實驗上變得越來越複雜了。

如何解決這個問題？科學家想到了一個辦法，我們可以在左右狹縫後加上光電探測器，來看一下單個光子到底是通過了哪條狹縫，還是它會分身分別經過了兩條狹縫？

這裡需要註明一點：觀察粒子經過哪條狹縫這個實驗，歷史上使用的是電子而不是光子，因為我們可以向電子發射光子來進行探測它到底經過了哪個狹縫，而光子本身我們無法去探測，所以使用光子的實驗我們本身也做不出來，不過這不影響我們的思想實驗。

第三次實驗：還是以點射的方式發射光子，探測的結果是，光子要麼經過左狹縫，要麼經過右狹縫，並沒有分身，也沒有同時經過兩個狹縫，光子還是一個一個的粒子。

這時波派和粒派都鬆了一口氣，這說明光子具有波粒二象性（其實粒子的性質也在光電效應上得到了證實），它即使波也是粒子，處在兩種狀態的疊加態，微觀世界還真是詭異，粒子處在混沌的兩面性。

但是到這裡真正刷新人們三觀的靈異事件發生了。

我們不就是探測了一下光子到底經過了哪個狹縫，居然導致了屏幕上的幹涉條紋消失了，變成兩道槓。這說明我們的觀測行為導致了光子的狀態發生了改變。

這也意味著我們的觀測行為，影響了結果。這聽起來十分的玄學，難道我們看不看一個事物能夠改變它的最終狀態。

觀察者效應

微觀世界畢竟離我們很遠，我們無法體會到這件事道理靈異到了哪裡。下面我就舉個宏觀世界的例子。足球這項運動看過吧。

足球運動員射球的一瞬間這個球進不進和足球當時所處的位置、運動員發力的大小和位置、風速等等這些物理因素有關，只要經過足夠精細的科學分析，我們就能判斷出這個球到底能不能進。

但是唯獨沒有關係的就是你當時有沒有看這場比賽，你看與不看都不妨礙球是否能進。但是微觀世界的實驗告訴我們，球進與不進這個結果和你有沒有看球有關。

這簡直令人發狂，不可思議。尤其是當有些人給觀察者這件事上加入了人類的意識以後，整件事情就變得更加的詭異了。

被搬倒了幾千年的唯心主義差點復活。人類的意識可以改變宇宙的狀態。

以上的實驗都是在光子經過雙縫的時候我們對其進行了觀測，導致了光子的疊加態坍縮到了單一的量子態，表現出了粒子的特性。

那麼我們這次讓光子首先經過雙縫，在它經過雙縫的時候應該會保持原有的疊加狀態，我們這時在以非常快的速度加上探測器，那麼結果會怎麼樣？

不論我們加上探測器的速度有多快幹涉條紋都會消失。反過來，一開始有探測器，只要在最後的一瞬間撤掉探測器，幹涉條紋就會出現。

這次實驗類似於惠勒的延遲選擇實驗，光子貌似是事先已經知道了我們要對它進行探測，在經過雙縫時就表現出了粒子的特性導致幹涉條紋消失。而我們只要停止觀測，光子在雙縫處又開始與自己發生幹涉。

反過來說，我們未來的選擇，決定了光子最初的狀態！因為光子做出選擇在先，我們觀測在後。

在微觀世界中，因果律貌似也失去了作用。這就是量子力學的世界，這就是微觀世界的詭異和恐怖之處。

哥本哈根詮釋

雙縫幹涉實驗包含了量子力學中的三大基本原則：疊加態、不確定性、觀察者。

疊加態是微觀粒子的本質，一個粒子可以處在不同狀態的混沌態，它具有多面性。以光子來說它就是波粒二象性。一個光子可以同時處在左縫和右縫這兩種路徑的疊加態中，可以同時穿過兩條狹縫，並於自己發生幹涉。

不確定性原理，也稱為測不準原理，在微觀世界中我們宏觀世界中科學準確的預測性完全不起作用，微觀粒子的行為只滿足概率統計，我們不能準確的同時知道一個粒子的位置和動量。

這兩個物理量的測量誤差的乘積一定大於某個值，也就是說，如果我們準確的知道了一個粒子的位置，那麼它的動量可能會是0到無窮大，變得十分不確定。

而在單個發射光子的時候，這個光子到底會落在屏幕的那個位置，我們無法準確的知道，只能說出它出現在某個位置的概率是多少。這一點和宏觀世界有著本質的區別，需要用不同的理論去解釋。

測量這件事會導致微觀粒子的波函數發生坍縮，也就是從混沌的疊加態轉變為確定的狀態，例如，我們對光子（電子）的觀測就導致了光子從疊加態坍縮到了粒子態。這樣也會導致光子不能神奇同時處在兩個路徑的疊加態中，只能選擇一個單一的狹縫經過，從而導致幹涉條紋消失。

那麼這跟人類的觀察有何關係？

觀察這個行為確是具有人為的因素，貌似是人的因素導致了量子態發生坍縮，導致結結果發生改變，甚至導致未來決定過去。

但是觀察這種行為是怎樣發生的呢？上文我已經提過，歷史上對雙縫實驗的觀察我們無法用光子做出來，而使用的是電子，因為在我們觀察的時候，我們要想獲得粒子的信息，就必須要使用另外一個粒子和其發生相互作用，來反饋給我們。

你想一下我們如何去觀察電子？是不是要向電子發射一定能量的光子，當光子在被反射回來時，我們才能知道電子的狀態。

沒有這種交互作用，也就沒有所謂的觀察！但是這個測量的過程就會導致電子的狀態被限制單一的狀態中，換句話說，當電子穿過狹縫時，我們強迫電子與光子發生相互作用，正是這個過程導致電子波函數的坍縮。

所以說觀察行為也是一種量子行為。跟人類的意識沒有任何關係。