最開始的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光具有波動(dòng)性，對(duì)牛頓時(shí)代光的粒子性提出了挑戰(zhàn)。關(guān)于光是波還是粒子的爭論，曾經(jīng)持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)之久。這場曠世爭論加深了人們對(duì)光的本質(zhì)（波粒二象性）的認(rèn)識(shí)，并最終催發(fā)了量子力學(xué)的誕生。

近現(xiàn)代人們對(duì)電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，像電子這樣人們傳統(tǒng)認(rèn)為是粒子的客體也具有波動(dòng)的特性，即電子也具有波粒二象性。更一般地，微觀粒子普遍地都具有波粒二象性。因此，近現(xiàn)代的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)也加深了人們對(duì)物質(zhì)波的認(rèn)識(shí)。

圖1. 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖

歷史回顧

1801年，英國物理學(xué)家托馬斯.楊進(jìn)行了有名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，他讓一束點(diǎn)光源的光通過一個(gè)雙縫，然后在雙縫后面的光屏上面觀察到了干涉條紋，這是由于光具有波動(dòng)性，光通過雙縫到達(dá)顯示屏上時(shí)由于走過的路程不同，從而產(chǎn)生相位的相長或相消。因此產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋。

圖2. 英國物理學(xué)家 托馬斯.楊

圖3. 光的單縫衍射和雙縫干涉

電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

托馬斯.楊的雙縫實(shí)驗(yàn)之后過了一個(gè)多世紀(jì)，量子力學(xué)有所發(fā)展之后，人們對(duì)微觀粒子有了更深刻的認(rèn)識(shí)，即所有微觀粒子都具有波粒二象性。為了在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證電子的波動(dòng)性，1961年 the University of Tübingen的物理學(xué)家 Claus J?nsson做了電子的雙縫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電子的干涉條紋，從而證明了電子具有波動(dòng)性。之后一系列的實(shí)驗(yàn)又證明了其他粒子，質(zhì)子、中子等也可以觀察到干涉條紋，也具有波動(dòng)性。電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是直接驗(yàn)證量子理論的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。

單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

關(guān)于粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)想到這么一個(gè)問題：粒子的波動(dòng)性是許多粒子的集體行為還是單個(gè)粒子的本征行為？如果在做電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們可以有效控制電子流量，讓電子一個(gè)一個(gè)通過雙縫，一個(gè)一個(gè)達(dá)到屏上，還會(huì)出現(xiàn)波的干涉條紋嗎？

直覺告訴我們，不會(huì)。

有人真做了這樣的實(shí)驗(yàn)。1974年，意大利物理學(xué)家Pier等人成功進(jìn)行了單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。像量子理論中預(yù)言的那樣，他們真觀測到了單電子的干涉條紋！這個(gè)看似反直覺的實(shí)驗(yàn)在2002年被“Physics World”評(píng)為最美麗的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖4. 隨著時(shí)間的增加，一顆一顆打過去的電子逐漸展現(xiàn)出了干涉條紋

費(fèi)曼在他的物理學(xué)講義第三卷中曾利用思想實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地介紹了單電子干涉實(shí)驗(yàn)。他講到

所有這些都是及其神秘的。你考慮的越多，就越會(huì)感到神秘。

最后他得出的結(jié)論是，

電子作為粒子總是以完整顆粒的形式到達(dá)光屏，這些顆粒到達(dá)的概率分布則像波的強(qiáng)度的分布，正是從這個(gè)意義來說，電子的行為“有時(shí)候像粒子，有時(shí)像波”。

最后我想說，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證波動(dòng)行為的一種手段，它的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了托馬斯.楊當(dāng)初對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的期待，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們對(duì)它的期待。它已經(jīng)成為某一種象征，是科學(xué)實(shí)在性的象征，也是電子神秘行為的一種象征。