#真知计划#
电子双缝干涉实验，人类科学史上非常著名的一个实验，无论是实验过程还是结果，都大大出乎了人们的意料，甚至让科学家们感到恐慌，完全颠覆了我们的世界观。
正因为电子双缝干涉实验如此诡异，如此不可思议，网络上对该实验的描述可谓五花八门，其中不乏很多误读，很容易把普通吃瓜种群众“带进沟里”。之前也有过对该实验的解读，但基本都是针对某几个点，今天就给大家带来系统的全面解读。
首先，让我们看一下电子双缝干涉实验的准备过程。
这个实验看起来很简单，就是三样东西，电子枪，带有双缝的挡板，还有接收电子的屏幕，也就是接收屏。但是，具体实施起来远非如此简单，是相当复杂的，对精度，环境的要求是很高的，普通人是不可能做这种实验的。
第一，如何稳定有效地发射电子？尤其是发射单个电子，是很难操控的。电子其实是很容易获取的，通电的灯丝发热之后就会释放出电子，然后电子在电场中加速就可以形成电子束。看起来很简单，好像一个灯泡就行了，其实不然。电子双缝干涉实验需要的是稳定，可控的电子，尤其是需要单电子的时候，更是难上加难。
还有一个难题，电子是带负电的，大量电子聚集在一起肯定会成斥力，从而发散开来，结果会导致穿过狭缝的电子数量不够多。这就需要利用磁场来约束电子束，让其沿着某个固定方向飞行。要想做到这点，目前的技术已经很成熟了，并不是很难。但一百年前的20世纪，这种要求其实是很高的，并不太容易实现。
第二，挡板上的两条狭缝如何制造出来？
挡板上的狭缝宽度要求是非常高的，远不是像我们平时用小刀划出来的缝隙。狭缝的宽度必须足够小，必须与电子的尺寸匹配，否则电子穿过狭缝后很难发生干涉现象，即使会发生干涉也会非常不明显，我们根本察觉不到。
不仅要求狭缝足够窄，两条狭缝之间的距离也有精确要求。要想同时满足这两点是相当难的。具体来讲，狭缝的宽度必须与电子的波长相当，才会发生明显的干涉现象。
电子的波长是非常短的，只有纳米级别，我们当然不可能用一把刀子直接在挡板上划开一条缝，这样显然是行不通的。那么该怎么办呢？
丝毫不用怀疑科学家们聪明的大脑，他们有的是办法。科学家们想到的办法非常简单实用，利用金属单晶体中原子之间的间隙作为狭缝，这种方法是不是很绝，不用刻意制造狭缝，因为狭缝本身就存在。
戴维逊是第一个利用这种方式完成实验的科学家，发射低能电子束，垂直射向镍单晶体，由于镍单晶体的原子间距只有大约0.2纳米，与原子尺度相当，所以电子穿过狭缝后就可以产生干涉现象。
第三，屏幕的问题。接收电子的屏幕也不是那么简单的，它关乎着最后的观测结果，是实验过程中的最后一步，如果这一步没有做好，意味着之前的所有努力都白费了。
说到接收屏幕，有人第一时间就会想到电视机的显像管，如果你这样想，就太小看实验本身的严谨性了。用电视机那样的荧光屏来接收电子是完全行不通的，因为电子的波长实在太短了，而电视机荧光屏里面的物质颗粒尺度很大，完全无法识别电子的波谷和波峰。
解决方案有两种，第一种方法简单粗暴，直接把荧光屏上的物质颗粒变小，用更小的物质颗粒，让颗粒的尺度与电子波长尺度相当。还有一种方法是电流法，这种方法利用的就是法拉第筒原理，利用很细的阳极，吸引不同位置电子的数量，在灵敏的电流计上反映出来度数，然后利用数学公式计算并还原波谷和波峰的位置。这种方式有点复杂，但确实是可行的。
还有最后一个问题，也是最关键的问题，如何尽可能屏幕周围环境对实验的干扰。
实验过程的主角是电子，而电子是基本粒子，非常小，周围环境的任何微小的风吹草动都会影响到电子的行为，比如说无处不在的辐射，中微子等。到底该如何尽可能排除周围环境的干扰呢？
首先，保证实验装置的真空度，利用真空泵抽出真空环境。其次，利用电场和磁场屏蔽看不见的微观粒子和辐射影响。
解决了以上四个问题，就可以开始进行实验了。有人可能会好奇，电子双缝干涉实验并不是思想实验，而是真实存在的实验，而且科学家们做过多次这样的实验了，那么能够对整个实验过程进行录像吗？好让普通的吃瓜群众能亲眼目睹整个实验过程，毕竟实验对精准度的要求太高了，普通人很难亲自去做。
只能说：很遗憾，科学家们也很想对实验过程全程录像，这样能更好更直观地让普通人了解电子双缝干涉实验，但完全做不到！
原因很简单，要想对整个实验过程进行录像，就必须有大量的光线照射进去，只有这样，我们才能看到电子的运动轨迹。但是当可见光照射到电子，通常并不会发生反射，也就是说，不会有光线反射到我们眼睛里，我们当然看不到。结果只会影响到电子的运动轨迹。
也就说说，我们要用光去直接看电子的运动路线是行不通的。不过可以用简单的方式去观看。比如说前面所讲的荧光屏和电流计，可以通过数学方式分析出电子的干涉条纹，根据干涉条纹进一步分析，绘制出电子的运动轨迹。
以上所有问题解决之后，就可以开始电子双缝干涉实验了，而这个实验其实也有很多版本，科学家们正是通过不同的版本升级，发现了更多神奇的现象。都有哪些版本呢？
第一，也就是最普通的实验版本。发射一束电子，朝着挡板不停地发射，结果科学家发现，屏幕上呈现的是多条干涉条纹，这样的结果让科学家们很困惑。按理说不应该是多条干涉条纹，而应该是两条条纹，与挡板上的双缝对应。因为在科学界的传统观念里，电子就是实实在在的实体粒子，就像玻璃球那样的粒子，不可能有波动性，穿过双缝之后不可能发生干涉现象。
科学家们通过深入思考想到，会不会是因为发射的电子太多了，多个电子在穿过双缝之后互相干扰，从而产生了干涉条纹呢？秉承着这种怀疑，科学家们对实验进行了升级。
第二，单电子双缝干涉实验。科学家们决定不再发射一束电子，而是一次只发射一次电子，等电子穿过双缝之后，再发射第二个电子。心想，这样肯定不会出现干涉条纹了吧？
但是，实验结果让科学家们大吃一惊。一开始确实没有出现干涉条纹，不过随着发射的电子越来越多，屏幕上的干涉条纹就呈现出来了。这样的结果太不可思议了，当时的科学界一下就爆炸了。
因为既然单个电子也能出现干涉条纹，说明即便是单个电子，在穿过狭缝之后，仍旧发生了干涉现象。但问题是，单个电子和谁发生了干涉呢？
在排除了所有干扰之后，答案只能有一个，那就是：单个电子同时穿过两条狭缝，然后自己与自己发生了干涉！
天啊！科学家们的世界观完全崩塌了！单个电子怎么可能同时穿过两条狭缝呢？他们无论如何都想不通。他们想看看单个电子到底是如何同时穿过两条狭缝的，于是他们决定在挡板附近安装监控探测器。
当然，并不是我们日常生活中看到的监控摄像头，准确来讲是线圈。当电子穿过线圈时，电子的运动就会产生感应电流，通过观察连接线圈的电流表的指针变化，科学家就能知道电子到底穿过了哪条狭缝。
结果更匪夷所思，当科学家们进行观测时，干涉条纹竟然神奇消失了。而当科学家们取出线圈，干涉条纹再次出现。科学家们一度怀疑实验本身是不是哪个地方出错了，但反复的实验，结果都是一样的。
看到这样的结果，科学家们简直想爆粗口：电子就好像早就知道了科学家们要观测它们一样，只要观测，干涉条纹就消失，意味着电子乖乖地穿过某一条狭缝。而只要不观测，干涉条纹就重现，意味着单个电子同时穿过了两条狭缝。
这个版本的实验也被称为“单电子双缝干涉延迟实验”。
第三，量子擦除实验。第二个版本的延迟实验让当时的整个物理学界都陷入了恐慌，于是他们决定再次对实验进行升级，在观察电子时，利用量子纠缠原理，非常小心地不干扰电子的行为，但即便这样，屏幕上的干涉条纹仍旧消失不见。这表明，干涉条纹是因为“路径信息”的存在而消失的。
通过特别的程序，将路径信息擦除，干涉条纹又会重现。而且擦除路径信息的时间无论是在观测光子之前还是之后，干涉条纹都会重现。这样的结果传统的因果律似乎被打破了，在量子世界不存在因果律。
电子双缝干涉实验为何如此违反我们的直觉？通俗来讲，因为我们没有生活在量子世界里，而生活在宏观世界里，如果我们生活在量子世界，自然不会觉得有任何不可思议的地方，反而会觉得宏观世界的物理现象很不可思议。
当然，上述回答有点避重就轻的味道，没有直击问题的根本。
其实对于电子双缝干涉实验的诠释有很多，比如说多世界诠释和哥本哈根诠释。
多世界诠释认为，我们的宇宙并非唯一的，而是存在无数多个平行宇宙，在我们观测的一瞬间，宇宙就会发生分裂，分裂出平行宇宙。而我们只能看到我们宇宙里发生的事情，平行宇宙里面的故事我们是不知道的。
比如说，在电子穿过双缝的时候，我们观察到电子从某条狭缝穿过，并不代表电子没有从另外一条狭缝穿过，只是发生在了平行宇宙里，我们根本看不到。
这种观点同样能诠释薛定谔的猫。我们的观测行为并不能影响猫的生死，无论如何观测，我们只能看到猫的一种状态，即生或者死。在我们观测的一瞬间，宇宙就发生了分裂。当我们看到猫是活着的，意味着平行宇宙里其实有一只死猫，我们无法观测到。
当然，多世界诠释太大胆了，很难被人接受，也很难在实验中得到证实，更多的停留在假想层面。
还有就是被主流科学界接受的哥本哈根诠释，认为量子世界与我们的宏观世界完全不同，那里的一切都是不确定的，微观粒子都具有叠加态，只能用波函数去描述，波函数通俗理解就是概率波。
说白了，在没有被观测之前，微观粒子就是无处不在的波。一旦我们实施了观测，微观粒子就会从波的状态坍缩为确定状态。
这也是为什么很多人会认为，就是人们的观测行为影响了电子的运动轨迹，让电子的状态发生了坍缩。甚至会认为人们的意识会影响实验结果，这显然有点唯心的味道了。
人们的观测行为让电子的状态发生“坍缩”，这种观点比较容易让人接受，毕竟这符合人们的日常生活经验，观测行为意味着一定会有光子照射到电子上，而光子本身就是能量，自然就可能影响到电子的运动轨迹。
但其实主流科学界并不认可上述观点，虽然上述观点看起来合情合理，而更偏向于哥本哈根诠释，该诠释认为微观粒子的“波函数坍缩”是本来就存在的，说白了，是量子世界的固有属性，也可以理解为公理。
也就是说，其实科学家们并不知道为什么“波函数”会坍缩，只知道波函数坍缩确实存在，所以就把它当作一种基本假设，或者说是公理。
你可能会有疑问：刚刚的观点不是能很好解释为什么会发生波函数坍缩吗？毕竟人们通过光子作用在电子上，真的会影响到电子的运动轨迹！
但问题就在于，如果说观测行为干扰了电子的状态，这表明在观测之前电子已经有了某一确定的状态了。量子力学表明，量子系统的叠加态是可以任何叠加的，与其他量子态进行叠加。如此一来，就可以把观测的光子叠加态与电子的叠加态进行叠加，叠加之后并不一定会表现出确定状态。况且，贝尔实验也明确告诉我们，在满足定域性的条件下，不会确定一个确定的状态。
所以，“观测行为干扰系统的状态，也就是电子的状态”成立的可能性不大。
说白了，科学家们也不知道观测行为是不是会导致波函数坍缩，更不知道为什么，量子力学就是如此奇妙。
总之就是，科学家们的确知道观测之后会带来波函数坍缩，但不能确定是不是观测行为本身导致的。所以更倾向于把“波函数坍缩”当作一个基本前提，也就是公理。这一点，与“光速不变原理”是一样的，这个原理就是狭义相对论的基本前提，也是公理。
完！
