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美丽的杨氏双缝干涉实验

高二物理 路尔清

一、杨氏双缝干涉实验

   如图，束单色光通过双缝后，在双缝后面的光屏上得到明暗相间的条纹，干涉是波基本特性，该实验有力证明光具有波动性。为什么证明了光是

一种波？假设光是经典的粒子，用光照射一条狭缝，通过狭缝后，在光屏上会得到与狭缝对应尺寸与形状的图样。将光束照射相互平行的双缝，会在光屏上得到两个单缝图样的总和。但实际上并不是这样，光通过单缝后，在光屏上得到衍射图样，中间有亮的光带，两边还有几条较暗的、窄一些的光带，而光通过双缝后，得到的是宽度与亮度相同的条纹。可以用波的理论得到亮纹的位置，说明光只能是波。

二、双缝干涉实验的改版

如果稍微改变双缝实验的设计，在狭缝后面装置探测器，专门探测光通过的是哪一条狭缝，则干涉图样会完全消失，不再能观察到干涉图样；替代显示出的是两个单缝图样的简单总和。这种反直觉而又容易制成的结果，使得物理学者感到非常困惑不解。

观察者可以决定是否装置探测器于光子的路径。从决定是否探测双缝实验的路径，他可以决定哪种性质成为物理实在。假若他选择不装置探测器，则干涉图样会成为物理实在；假若他选择装置探测器，则路径信息会成为物理实在。然而，更重要地，对于成为物理实在的世界里的任何特定元素，观察者不具有任何影响。具体而言，虽然他能够选择探测路径信息，他并无法改变光子通过的狭缝是左狭缝还是右狭缝，他只能从实验数据得知这结果。类似地，虽然他可以选择观察干涉图样，他并无法操控粒子会冲击到屏的哪个位置。两种结果都是完全随机的。

尚未特别加以处理的光束是由很多光子组成的，为了要进一步了解双缝实验的物理行为，物理学者好奇地问，假设光子是一个一个的通过狭缝，那么，会出现什么物理状况？1909 年，为了解答这问题，杰弗里·泰勒爵士设计并且完成了一个很精致的双缝实验。这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。经过很久时间，累积许多光子于摄影胶片后，他发现，仍旧会出现类似的干涉图样。很清楚地，这意味着，虽然每次只有一个光子通过狭缝，这光子可以同时通过两条狭缝，自己与自己互相干涉！类似地，电子、中子、原子、甚至分子，都可以表现出这种奇异的量子行为。