双缝实验中，电子是怎样通过双缝的呢？

　　最近几天，老郭正在动手DIY一个＂乞丐版＂的光学干涉仪，准备录制一些实验视频。在测量狭缝到接收屏的距离的时候，突然想到了一个有趣的问题：电子的双缝干涉实验现象与光的双缝干涉实验现象类似，但电子是怎样通过双缝的呢？
　　电子究竟是粒子还是波？
　　在双缝实验中让电子一个一个出发，然后通过两条狭缝到达接收屏，就可以在接收屏的某个位置上发现电子，这意味着电子是一种局域性的粒子。但当大量入射速度相同的电子到达屏幕的时候，就会形成双缝干涉条纹，这些条纹就与光一样。到达的电子数目多的地方形成波峰，很少或者几乎没有电子达到的地方形成波谷。电子双缝干涉条纹的存在意味着电子并非是之前的局域性粒子，而是具有某种波动性。
　　目前，物理学家们已经在实验室中完成了很多微观粒子的双缝实验，如光子、电子、中子、质子、原子和分子等等。这些实验充分说明微观粒子同时具有粒子性和波动性两种矛盾的特性。物理学家们称它为波粒二象性。但是，这真的可能吗？
　　经典世界中的粒子和波
　　经典物理中，粒子的概念是非常明确的，它来自人们对于宏观物体的抽象，比如小球、沙粒都是粒子的原型。粒子是物质的质量、能量等在空间中的局部集中。在空间中，粒子有确定的位置，并且有明确的边界与其他物体隔离。
　　另外，经典物理还认为粒子的运动是连续的，在空间中有连续的路径。当然了这其实是一个假设，物理学家们，也没有怀疑过这个假设。
　　经典物理中，波的概念是振动能量在介质中的传播，能量在空间中连续分布并可以扩散到更大的空间中，比如水波、声波、弹簧震动等等。两列波在空间中相遇时可以发生干涉现象，某些地方相互加强，另外一些地方则相互减弱。
　　在经典物理中，粒子性和波动性并不相互矛盾，因为粒子在某个位置上的时候，它不能又处于另外一个位置上。我们看到的宏观物体的现象要么表现为粒子特征，要么表现为波的特征。但电子双缝干涉实验告诉我们，微观粒子同时具有粒子性和波动性。
　　玻尔互补原理
　　玻尔认为，微观粒子的波动性和粒子性是对同一个粒子的两种互补描述。咱们翻译成人话就是，理解微观粒子就必须接受它们同时具备粒子性和波动性，单独用粒子性或者是波动性去理解微观粒子都是不完整的。
　　如果你反复读玻尔的互补原理会发现，玻尔并没有回答微观粒子究竟是粒子还是波的问题。因为在玻尔看来，一个电子究竟是粒子还是波，取决于我们用什么设备去测量电子。他进一步说，在没有测量之前，并没有真实的量子世界，只有一个抽象的物理学描述。
　　还是用电子的双缝实验来说这个问题。玻尔在一篇论文中说：……通过一个孔的电子将受到另一个孔开启或关闭情况的影响，这是完全不可理解的。＂玻尔其实是在否认独立于测量的微观状态的存在性，他坚持认为，一个物理量只有在被测量之后才能谈论和定义电子的位置或者动量。
　　由于测量电子的位置和动量是互斥的，不能同时对它们进行测量，所以，玻尔得出结论：粒子的位置和动量不可能同时具有确定的值。玻尔的学生海森堡则说得更直接，他认为不存在一个独立于我们观测的真实客观世界。
　　玻尔的互补原理其实是有问题的，它不能解释不真实的微观世界是如何组合产生真实的宏观世界的。因为宏观世界是确定性的，而宏观物体由微观粒子组成，如果微观粒子没有确定性，世界就会失去统一性，这就是爱因斯坦的观点。这个问题的本质是玻尔没有对测量过程做出说明。
　　电子是怎么通过双缝的？
　　在电子双缝实验中，如果关闭其中的一条，电子可以出现在屏幕上的某些位置，比如在双缝实验中的那些波谷位置，但当另外一个缝打开的时候，电子就无法到达那里了。
　　玻尔的选择是放弃了电子的连续运动，同时也放弃了电子所有可能的运动轨迹。他认为如果想知道电子是如何通过双缝形成干涉条纹的，就必须利用位置测量去观察粒子究竟通过哪条狭缝，而这必然破坏干涉图像。
　　实验结果也确实如此，因此在电子的双缝干涉条纹不被破坏的前提下，人们是无法测定电子究竟通过哪条狭缝，也就无法知道电子是如何通过双缝形成干涉条纹的。
　　玻尔是如何从＂不知道＂过渡到＂不存在＂的呢？
　　玻尔并没有给出直接证明，他只是坚持认为，当谈论粒子的性质的时候，就必须去测量这种性质，对于无法测量的性质，谈论它就没有意义，这种性质也就不存在，所以玻尔认为，由于无法测量到电子通过双缝的运动图像，因此运动图像不存在。
　　玻尔的这种说明其实有两个严重的漏洞，只是当时包括爱因斯坦在内的所有伟大物理学家都没看出来。第一个漏洞是，玻尔隐含假设了电子唯一可能存在的客观运动方式是连续的，同时他又放弃了连续运动的图像；第二个漏洞与第一个漏洞有关，他只考虑了测量电子的位置，而没考虑粒子的运动可以是不同于连续运动的其他形式，从而电子可以用某种方式＂同时＂通过双缝，所以实验必须重新设计来适应这种运动方式。
　　电子真的是＂同时＂通过双缝的吗？
　　我这里给＂同时＂加上了引号，这是因为在之前大家在对电子双缝实验进行解释的时候，对于同时概念是有偏见的。电子作为６１种基本粒子其中之一，不可能有半个电子，因此电子也就不存在＂同时＂通过双缝的可能性。其实这是一种对于＂同时＂理解的偏见。
　　在双缝实验中，事实是，任何缝都一定都是有限的，电子穿过双缝就会发生在有限的时间内，而不是瞬间的零。电子只能在非常短的时间内穿过很小的狭缝而不是数学上同一时刻。表面上看，讨论缝的限度和电子穿过缝的时间是同一个问题，但事实上这是两个完全不同的事情。
　　如果一个缝小到只能容纳一个电子，那么这个缝就不能包含电子的运动。电子双缝实验中的缝，必然会包含无穷多个这样的点，也必然会包含无穷多个时刻。如果有办法理解电子在有限的时间和距离内穿过双缝时，是如何形成电子与双缝这个整体，并最终形成干涉条纹的就可以解释电子是如何通过双缝的。
　　这也意味着，我们有可能从目前不确定的微观世界重新回到实在的客观世界。然而，我们真的能做到吗？
　　结束语
　　我们用２０００多字讲述了玻尔对于双缝实验的理解，以及玻尔解释中存在的问题。您可能注意到了，文章中所有的＂测量＂都加粗标注了，这是我下一个要跟大家聊的话题——究竟什么可以称作量子力学的测量，这要涉及一个更复杂的问题——波函数的塌缩，对于波函数塌缩的理解将会将我们带入到多重宇宙的谜团之中。