物理群星
1801 光学

双缝干涉

The Double-Slit Experiment

亮加亮等于暗——一束阳光和一张卡片推翻了牛顿的光粒子说,两百年后又成了量子力学最深的那口井。

当时的困境

十七世纪末,光是什么有两种答案。

惠更斯说光是波,在某种介质里传播;牛顿说光是微粒,因为光走直线,而波会绕过障碍物拐弯。牛顿还给出了具体的反驳:如果光是波,影子的边缘就该是模糊的,可影子明明是锐利的。

牛顿赢了,而且赢得彻底。此后一百年,粒子说是英国乃至欧洲的正统,不是因为证据压倒,而是因为反对它就等于反对牛顿。

问题是粒子说解释不了一些现象:牛顿自己发现的「牛顿环」——两块玻璃贴合处出现的彩色同心圆——用微粒怎么也说不通,他只好引进一套「易透射阵发」的复杂假设来打补丁。肥皂泡的颜色也是同类麻烦。

真正的困难在于,没有人拿得出一个判决性的实验。

洞见时刻

1801 年,一个二十八岁的伦敦医生想出了那个判据。

托马斯·杨的推理是这样的:如果光是波,那么两列来自同一光源的波相遇时,波峰对波峰会更亮,波峰对波谷会互相抵消变暗。也就是说,会出现亮加亮等于暗的地方。粒子说无论如何得不出这个结果——两束微粒叠在一起只能更密,不可能互相消失。

1803 年他做了这个实验,用的东西简陋得出奇:在窗板上开一个小孔让阳光射进暗室,再拿一张约三十分之一英寸宽的卡片竖着插进光束,把它劈成两半。

墙上出现的不是两条亮带,而是一组明暗相间的条纹。

他还多做了一步:从条纹的间距反推出了光的波长,得到约五十万分之一米的数量级。这是人类第一次量出光的尺寸。

(今天教科书上的「双缝」是后人整理出的理想化版本。杨本人用的是一张卡片,光从两侧绕过边缘再相遇。原理相同,但那张卡片更能说明当时的条件有多简陋。)

涟漪效应

在英国,结果是失败。1803 年布鲁厄姆在《爱丁堡评论》上匿名撰文,把杨的工作骂得体无完肤。在牛顿的祖国质疑牛顿,代价就是这个,波动说在英国被压了十余年。

翻盘发生在法国。1818 年菲涅耳向法国科学院提交了一份用波动说处理衍射的完整数学理论。评委之一泊松是粒子说的支持者,他从菲涅耳的公式里推出一个他认为荒谬的结论:一个圆盘的影子正中央应该有一个亮点。阿拉果动手做了这个实验——亮点真的在那里。这个后来被称作泊松亮斑的东西,成了波动说的加冕礼。

此后光是波成为定论,直到 1905 年爱因斯坦为了解释光电效应重新提出光量子,把粒子的一面请了回来。

如果没有它

这个实验真正的重量在二十世纪才显出来。

1927 年,戴维孙与革末让电子束打在镍晶体上,得到了同样的条纹——电子也是波。此后人们用中子做、用原子做、用六十个碳原子组成的富勒烯分子做,条纹照样出现。

更彻底的版本是:把光强调到每次只发射一个粒子。屏上先是零星的点,看不出规律;攒到几万个之后,条纹浮现出来。也就是说,单个粒子的落点是随机的,但它「知道」两条缝都开着——如果只开一条,分布完全不同。而只要你设法测出它究竟走了哪条缝,条纹立刻消失。

费曼说,这个现象「包含了量子力学的唯一秘密」,并且它「不可能、绝对不可能用任何经典的方式解释」。所有关于量子力学诠释的争论——哥本哈根、多世界、退相干——最后都要回到这里回答同一个问题。

一间暗室、一束阳光、一张卡片。两百年后,我们还没有把它完全说清楚。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.杨《贝克讲演·论光与颜色的理论》,《皇家学会哲学汇刊》第 92 卷(1802)
  2. 2.杨《贝克讲演·与物理光学有关的实验与计算》,《皇家学会哲学汇刊》第 94 卷(1804)——干涉的定量结果
  3. 3.惠更斯《光论》(莱顿,1690)——被牛顿压下去的那一方