双缝光是如何产生干涉的 为何单个电子通过双缝会发生干涉

电子是我们解释自然现象的一个模型。没人真正见过电子，但假设存在这么一种东西的模型已被实践证明很好用。在量子力学的模型里，对于双缝干涉这样的双路径实验，电子这样的微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径，从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体的物理行为的量子态发生相移，因此产生干涉现象。

拿电子和其它粒子做衍射和干涉是展示“微观物体在具有粒子性的同时也具有波动性”，帮助人们更好地理解其性质与规律。拿单个电子、单光子之类做双缝干涉是证明“一个粒子可以同时穿过两条缝而对自身产生干扰”，体现出微观物体的波动性与不确定性。

有些文章对网络上贴得到处都是的著名图样的来源阐述得不清楚。这是日本的外村彰带领团队在1988年做的电子干涉[的图样：

该实验使用双棱镜干涉机制，在两块相互平行的接地金属板之间置入一条带正电的细金属丝，以电子束照射该装置，用荧光屏收集抵达电子的相关数据。

图中每一点表示一个电子抵达探测屏，但这不展示电子的粒子性，因为构成探测屏的是离散的原子而不是一大片平板时空。该图样可诠释为电子波与离散原子间的相互作用，探测的动作造成电子波的坍缩。

在该实验中，每秒约有1000个电子抵达探测屏，电子束中每两个电子间的距离约为150千米，两个电子同时存在于电子束发射器与探测屏之间的概率微乎其微，不存在“射出的两个电子之间的相互作用”。

对于“观测粒子通过哪条缝会引起干涉图样变化”，哥本哈根诠释认为，在粒子发射和粒子抵达探测屏这两个时间点之间，粒子的位置无法被确定；如果人要确定粒子的位置，必须以某种方式探测它，这探测必然改变粒子的量子态，从而影响干涉图样。

费曼则对此提出了干涉的路径积分表述。这是一种数学描述，不采用“粒子的唯一确定的运动轨道”这种经典概念，而是使用泛函积分计算出粒子的所有可能轨道的总和。假设一个粒子要从发射点A移动至探测屏的位置点B，A、B之间有两条狭缝，则粒子的“所有可能路径”包括同时经过两条狭缝的路径；如果人用探测手段来观察粒子经过两条狭缝中的哪一条，设探测手段对应的位置为点C，在点C观察到粒子的时候，从点C到点B之间并没有狭缝，所以不会有干涉图样。

2011~2012年，内布拉斯加大学林肯分校的物理系研究团队实现了费曼在1965年描述过的双缝思想实验。该实验使用的仪器可以随意控制每一条狭缝的关闭与开放，测试了电子在以下三种状况表现的物理行为：

• 第一条狭缝开放 第二条狭缝关闭，
• 第一条狭缝关闭 第二条狭缝开放，
• 两条狭缝都开放。

实验结果符合量子力学的量子叠加原理，展示出电子的波动性。

至于在这里也可以遇到的某些萌头不断复读的“只用一个电子能不能做出实验”，这是对量子力学的基本设定不了解，乃至不知道自己了解不了解，显得很呆萌。

1. 在模型里，任意两个电子的物理性质都是一样的。把一个电子打到荧光屏上再拿下来送回电子枪再打出去的反复操作，跟一个个地发射多个电子产生的现象没区别。

2. 只拿单个电子也可以做出特定的量子力学实验。电子可以在现代技术下分裂为2~3个准粒子：空穴子、自旋子和轨道子。“准粒子”是物质的运动产生的、表现出粒子特性的东西，而非“ 比电子更基础的基本粒子”。说是“分裂”是因为电子在不同的空间位置各自表现出了自己性质的一部分。

电子之间因为带有相同电荷而互相排斥。在非常拥挤的条件下，为了彼此穿过，电子必须改变行为。电子可以通过量子隧穿从金属表面跳到靠近位置的量子线上，这时就能表现出上述“分裂”现象。

开篇已经谈过，电子是我们用来解释物理现象和做出预测的理论。人无法看到电子，但在各种实验和预测中假设电子存在是非常管用的，以至于我们简直觉得电子是确凿存在的。在这类特殊的实验中，假定电子可以分裂成几个准粒子会更便于计算，这并不是说电子是“可以拆分的非基本粒子”。

人们早已知道双缝实验也可以用中子、原子等来做，使用的仪器不同，结果相似：每个单独的微观物体离散地撞击探测屏，撞击位置无法预测，表明整个过程的概率性；累积很多次撞击事件后，总体显示出干涉图样，表明微观物体的波动性。

有些文章围绕粒子行为故弄玄虚、鼓吹“意识决定”之类。其实1987年人们就已经发现，如果只获得部分路径信息，干涉图样不会完全消失。这表明只要我们的测量手段不过度地干扰微观物体的运动，干涉图样只会对应地被改变，不存在“意识一介入就必定发生”的作用。恩格勒-格林柏格对偶关系式对这方面的量子行为进行了详细的数学论述。

2003年，人们让碳60发生了双缝干涉。2013年，人们让810个原子组成的分子量超过10000的有机大分子发生了双缝干涉。随着技术提升，我们可以在越来越宏观的东西上观测到波动性。这证明物质波模型的适用范围很广，微观物体与宏观物体没有绝对的界限。

2017年，在复杂的实验仪器里，人们观测到粒子在装置的不同部位突然消失和突然出现[9]。有波粒二象性以外的模型可以对此进行解释：时空中充斥着具有负质量和负能量的粒子，具有能量的粒子在这个新狄拉克之海里并无具体的位置，随时可以被抵消和重建，所谓干涉是我们试图描述它运行的平均状况。

2016年，人们让细菌表现出一定程度的量子叠加。2019年，人们让分子量1886的短杆菌肽发生了双缝干涉而没有损害它的生物活性。如果技术继续稳步发展，十年内一些病毒和较为小型的细菌就可以拿来做双缝干涉了。这是试图直接展示“宏观物体乃至生命体也具有波动性”。