单光子双缝干涉实验：光的波动性之重要性

牛顿在其著作《光学》中把光描述为一种微粒，这种观点将惠更斯提出的光的波动说压制了一百多年。动摇了牛顿在光学中统治地位的是一个同样来自英国的科学家，托马斯·杨。

托马斯·杨本来是一个医学博士，但在读大学时他了解到历史上人们对光子认知的争论，为此他在1801年做了一个实验：

在暗室里放一根蜡烛，然后在厚纸板上扎了一个小孔，得到一束光。他让这束光照向另一张纸，而这张纸已经提前用针扎出了两个小孔，因此这束光在通过两个针孔以后变成两束光。

在这些准备完成以后，托马斯·杨到投影屏前检查最终结果。

如果光是粒子，那投影屏上显示的应该是两个光点。如果光是波动，因为这两束光来自同一个光源，所以它们是波长频率相同的相干光，按照波动说，这两束光波就应该发生干涉。

最终，托马斯·杨在投影屏上看到的是明暗相间的干涉图样。后来，他又以狭缝代替针孔进行了双缝实验，得到了更明亮的干涉条纹。

这个实验证明了光具有波动性。

图8-1　单光子的双缝干涉实验

说句题外话，现在我们能认识到这个实验的重要性，它让人类开始正确认识光的本质。但在当时，这个发现及其理论并没有受到应有的重视，还被权威们讥为“荒唐”“不合逻辑”，也因此这个自牛顿以来物理光学上最重要的研究成果，被守旧的科学势力压制了近20年。

期间，托马斯·杨并没有向权威低头，而是为此撰写了一篇论文，可惜无处发表，只好印成小册子，名为《声和光的实验和探索纲要》，据说发行后“只卖出了一本”。杨在其中勇敢地反击：

尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。

杨在物理光学领域的研究具有开拓意义，他第一个测量了7种光的波长，最先建立了三原色原理^[1]。杨可以说是光学史上最重要的人物之一，但因为没有一个物理权威认可他的努力，他最终放弃了相关研究。

然而，争论还在持续。1818年，菲涅尔向法国科学会提交了一篇论文，内容是对圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹做定量计算，他也是光的波动说的支持者。

负责评判论文的人中有一位微粒说的支持者，泊松。作为当时首屈一指的大数学家，泊松按照菲涅尔的论文计算了一遍。他指出，如果菲涅尔的理论是正确的，那当一束光照向一个圆盘时，在圆盘的阴影中心会出现一块亮斑，这太荒谬了。

泊松据此宣称自己驳倒了光的波动理论，但菲涅尔和阿拉果（另一位负责评判论文的人）坚持波动论的观点，要求通过实验来验证对错。实验结果精彩地证实了泊松的推论，影子中心的确出现了一个亮斑。该实验被后人称为泊松亮斑实验。

由此，光的波动学说在1818年以后终于重见天日，那时托马斯·杨已经在编撰大英百科全书、研究埃及文字、改善天文与航海了，哦，还有醉心于艺术和杂技。

回到正题。托马斯·杨1801年的实验被后人称为杨氏双缝干涉实验，它毫无疑问地证明了光具有波动性，但直到一百年后，这个实验才等到了让自己大放异彩的时刻。

普朗克在1900年提出能量子假说，爱因斯坦在1905年用具有波粒二象性的光量子假说，成功解释了困扰光的波动说已久的光电反应，从此，光变成一种量子化的存在。

按照爱因斯坦的观点，光束由许多光量子组成，每一个光量子都是一个不可分割的整体，这就意味着，我们不可以把一个光量子拆分成两个更小的光量子。可是，当一束光通过双缝实验仪器时，会发生什么？尤其是，如果这束光中一个单独的光子通过双缝时，会出现怎样的物理状况？它是从左侧通过还是从右侧通过？当它通过窄缝时，这个光量子是以粒子的形态还是以波动的形态？

为解答这些问题，杰弗里·泰勒爵士在1909年设计并完成了一个更精致的双缝实验。该实验将入射光束的强度大大降低，在任何时间间隔内，平均最多只有一个光子被发射出来。经过很长时间，在摄影胶片上累积了大量光子后，杰弗里·泰勒发现，仍旧会出现类似的干涉图样。这显然意味着，虽然每次只有一个光子通过狭缝，但这光子可以自己与自己互相干涉！就如同它可以同时通过两条狭缝。

后来，波粒二象性的说法被延伸到电子等粒子上。人们通过实验确认，无论电子、中子、原子，哪怕是分子，都可以表现出这种奇异的量子行为。

问题在于：

在单光子的双缝干涉实验中，不可分割的光量子到底是以哪种形态通过了哪条光路？

在双缝实验里，粒子抵达探测屏位置的概率分布具有高度的确定性，量子力学可以精确地预测粒子抵达探测屏任意位置的概率密度，可是无法预测在什么时刻、在探测屏的什么位置，会有一个粒子抵达。(www.xing528.com)

虽然无论光子还是电子都可以完成这个实验，但大部分研究者都会选择用电子，因为电子束相对容易获得，也比光子更容易操纵。可当人们尝试在双缝背后添加仪器，来检查电子到底是从哪一条缝隙通过时，神奇的现象出现了：

在没有安装这个仪器以前，电子表现出确定无疑的波动性，但当人们通过仪器开始观测这个过程以后，电子的波动干涉就消失了，人们看到的不再是条纹形态的干涉结果，而是一条明确的线条——这说明电子是以粒子的形态穿过了缝隙。

在这一系列的实验中，为什么穿过双缝的粒子有时会表现出波动性，有时却会表现出粒子性？为什么人们只能观测到实验结果，却无法观测其中的过程？观测者的观测行为（包括人的意志）是否会对粒子的行为造成影响？这背后的物理机制是什么？

研究者围绕这些问题争论了很久，可以说，直到现在相关争议仍未平复。

实验结果是无可争议的（多次重复实验后得到的结果依然一致），但这一结果带来了极大的困惑，尤其受到冲击的是坚信决定论的传统科学家。

很多物理学者非常不愿意接受这种事实。尽管通过量子力学的手段可以正确预测实验最终的统计结果，但量子力学无法从宏观物理的角度解释，为什么一个不可分割的粒子似乎可以同时通过两条狭缝，然后自己与自己发生干涉。

爱因斯坦认为，由此说明量子力学并不完备，一个完备的理论必须对这些难题给出完美解释。但玻尔反驳说，这正好显示出量子力学的优点——不会用不恰当的经典概念来解释不符合以往认知的量子现象，如果必要，可以寻找与应用新的概念来解释这些难题。

虽说对双缝干涉实验的解释是现代物理学中的遗留难点，但在以太假说下，如果把粒子在落点位置上的波动性归因于以太海的波动，就很容易看出实验背后的物理机制。

被射向双缝的粒子并不是孤立的存在，它会从以太海中激发出以太，并与这些以太发生相互影响，从而造成以太海的波动，进而影响粒子的落点位置。

当粒子撞击到有双缝的纸板时，粒子会从中二选一直接^[2]通过，而粒子激起的以太海波动会同时对两个缝隙位置上的以太海造成影响，使两个缝隙变成两个新的波动源。

这个过程与宏观世界的波动现象并无二致。

当粒子通过双缝之一后，以太海的波动会同时通过两条缝隙，并在纸板的背后形成干涉，而粒子仍然会被以太海的波动影响。因此，粒子的落点会显示出干涉条纹，显现出波动性，哪怕被射入仪器的仅仅只有一个粒子也是如此。

也就是说，粒子并不需要与自身发生干涉，发生干涉的是以太海的波动。但粒子会与波动中的以太海结合。

但是，如果我们在缝隙后添加了观测仪器并随时监控粒子的行为，这个仪器会对双缝附近的以太海造成影响。当粒子激发出的以太海波动撞击两个缝隙时，由于观测仪器的存在，产生的两个新的波动源不再是相干波，所以在成像屏上就不再能看到明显的干涉图像。

其实，以“物质以太”的观点看，物理学领域的多数疑问都是因波粒二象性观点的提出而埋下伏笔。

波粒二象性虽然能平息以往关于光的争论，却无法对光为什么同时具有粒子性与波动性做出解释。它可以解决以往的问题，但其实模糊了其背后的机理，将彻底解决问题的时间往后推移。而当德布罗意提出粒子也具有波粒二象性，并将粒子的波动性归因于粒子本身以后，这便成为整个量子力学体系都难以回答的疑难问题，哪怕量子力学的计算与预测可以与微观世界的物理现象准确对应。

可以看到，虽然用“物质以太”的观点解释双缝干涉实验的确毫不费力，但“物质以太”本身还是一种假设，无论“物质以太”的相关解释再自洽，绝大部分研究者还是希望能有实验明确证明以太的存在，以及以太海波动的存在。

这样的确会更圆满。

我们知道光子有波动性，现代物理学认为这是光子自身的特性。而在“物质以太”的观念下，光子的波动性源于以太海的波动。当光子于以太海中通行时，因为以太作用，以太海激发出的能量产生了波动性，并最终影响了光子的落点，正如现实世界中浪涛里小船的空间坐标看起来也具有波动性一样。

我们以往所谓的“光波”，其实是由以太元素构成的“光子”与以太海激发出的以太元素的结合体。

而影响必然是相互的，如果以太海中的以太元素能够被光子影响产生空间上的波动性，那光子中的以太元素也应当被以太海影响产生波动性。

通过诸如双缝干涉这类实验，我们可以观测以太海的波动^[3]，但光子中以太元素的波动是怎么回事，它又与哪种物理现象相关？

现在，让我们深入光子与以太海的内部，从波动开始，讨论一些最细微的现象，并试着寻找关于“物质以太”的证明。