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最开始的双缝干涉实验证实了光具有波动性，对牛顿时代光的粒子性提出了挑战。关于光是波还是粒子的争论，曾经持续了一个多世纪之久。这场旷世争论加深了人们对光的本质（波粒二象性）的认识，并最终催发了量子力学的诞生。 近现代人们对电子的双缝干涉实验证实了，像电子这样人们传统认为是粒子的客体也具有波动的特性，即电子也具有波粒二象性。更一般地，微观粒子普遍地都具有波粒二象性。因此，近现代的双缝干涉实验也加深了人们对物质波的认识。 图1. 双缝干涉实验示意图 历史回顾1801年，英国物理学家托马斯.杨进行了有名的双缝干涉实验，他让一束点光源的光通过一个双缝，然后在双缝后面的光屏上面观察到了干涉条纹，这是由于光具有波动性，光通过双缝到达显示屏上时由于走过的路程不同，从而产生相位的相长或相消。因此产生了明暗相间的干涉条纹。 图2. 英国物理学家 托马斯.杨 图3. 光的单缝衍射和双缝干涉 电子的双缝干涉实验托马斯.杨的双缝实验之后过了一个多世纪，量子力学有所发展之后，人们对微观粒子有了更深刻的认识，即所有微观粒子都具有波粒二象性。为了在实验上验证电子的波动性，1961年 the University of Tübingen的物理学家 Claus Jönsson做了电子的双缝实验，发现了电子的干涉条纹，从而证明了电子具有波动性。之后一系列的实验又证明了其他粒子，质子、中子等也可以观察到干涉条纹，也具有波动性。电子的双缝干涉实验是直接验证量子理论的经典实验之一。 单电子双缝干涉实验关于粒子的双缝干涉实验，我们会想到这么一个问题：粒子的波动性是许多粒子的集体行为还是单个粒子的本征行为？如果在做电子的双缝干涉实验时，我们可以有效控制电子流量，让电子一个一个通过双缝，一个一个达到屏上，还会出现波的干涉条纹吗？ 直觉告诉我们，不会。 有人真做了这样的实验。1974年，意大利物理学家Pier等人成功进行了单电子双缝干涉实验。像量子理论中预言的那样，他们真观测到了单电子的干涉条纹！这个看似反直觉的实验在2002年被“Physics World”评为最美丽的科学实验。 图4. 随着时间的增加，一颗一颗打过去的电子逐渐展现出了干涉条纹 费曼在他的物理学讲义第三卷中曾利用思想实验详细地介绍了单电子干涉实验。他讲到 所有这些都是及其神秘的。你考虑的越多，就越会感到神秘。 最后他得出的结论是， 电子作为粒子总是以完整颗粒的形式到达光屏，这些颗粒到达的概率分布则像波的强度的分布，正是从这个意义来说，电子的行为“有时候像粒子，有时像波”。 最后我想说，双缝干涉实验作为验证波动行为的一种手段，它的意义远远超过了托马斯.杨当初对这个实验的期待，也远远超过了我们对它的期待。它已经成为某一种象征，是科学实在性的象征，也是电子神秘行为的一种象征。 |
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