㈠ 量子力學電子雙縫干涉實驗簡介和一些思考
內容主要來自量子力學科普書《見微知著》
量子力學的經典電子雙縫干涉實驗證明了粒子具有波粒二象性，是量子力學迄今為止最重要的實驗，讓我們一起來看一下這個實驗。
如圖所示，費恩曼設想的理想單電子干涉示意圖。最左側為電子槍，1和2為兩條狹縫。當只開啟縫1或者縫2時，電子穿過狹縫打到後面的接收屏上的分布曲線分別是P1和P2，當兩條縫都開啟時，接收屏上電子的分布曲線不是P1和P2簡單的相加，而是如最後一個圖片下面所標注的公式。
這個實驗最令人不可思議的，是當兩條縫開啟，電子槍單個射出電子，其間間隔足夠長的時間，最後得到的電子分布依然如上圖所示，好像是先到的電子「規定」後到的電子的行為。
如果覺得上述說明不足以理解，請看下面進一步的說明。
在宏觀世界中，以玻璃球為例。我們讓玻璃球射過開了一道縫的擋板，大家知道，玻璃球會在後牆留下的痕跡，是一條線。射過開了兩條縫隙的擋板，在後牆也是兩條線。如下圖。
當把玻璃球換成水波的時候，開一條縫，在後牆上也會出現一條線。開了兩條縫的，就會出現干涉條紋。如下圖。
那麼量子世界是咋樣的呢？將玻璃球換成電子，通過一條縫隙時候，後牆上只有一條線。如下圖。
通過兩條縫隙時候，後牆上出現干涉條紋。科學家在想，這么小的電子是如何出現干涉條紋的。他們設計了單電子干涉實驗。讓一個電子通過一條縫隙，後牆也只出現一條線。可是讓人奇怪的是，當開了兩條縫隙時候，竟然出現了干涉條紋現象。如下圖。
這該怎麼解釋呢？明明電子一個個射過雙縫的。怎麼還出現了干涉條紋，難道一個電子同時穿過了兩條縫隙？ 如下圖。
更讓人不解的是，當用攝像機試圖看著電子的時候，干涉條紋竟然消失了。不看的時候，干涉條紋又出現了。 觀測竟然也能影響電子行為？ 它知道我們在看它？ 如下圖。
這就是電子雙縫干涉實驗，所以費曼說：「電子雙縫實驗是量子力學的中心區域，研究量子力學，這個問題不可避免。」任何想要重建量子力學的人，也不可能避開這個問題。
結論一：當單個電子一個一個通過雙縫後會形成干涉，說明單個電子有波屬性。
答案：一個電子可以自相互作用發生干涉，但 一個電子的干涉可以忽略不計，也就是你觀測不到。 這是量變到質變的認識。
這意味著對電子雙縫干涉條紋現象的研究是群體行為而非個體行為。
答案： 電子不會同時通過兩條縫隙。
大多數相信它可以同時穿過兩條縫隙的人，都會拿高維度空間來解釋，關於平行宇宙，多宇宙，高維度空間等未經證實的理論，在此不討論。
答案：說明了兩條縫隙對產生干涉的必要性，也即說明了 電子干涉和光的干涉現象沒有本質區別。
單電子雙縫干涉實驗電子是一個一個間隔發出的，而經典的光干涉實驗發出的是一束光而不是單顆光子，在這點上它們是有區別的。但就干涉而言，它們的本質是一樣的。
即然光的干涉和電子干涉本質是一樣，那麼問題就轉化為單電子是波還是粒子？
答案： 單電子具有波的性質，通過自相互作用，發生干涉。 （見本文第四部分的兩個新聞證明）
就干涉而言，一定要是波才能行，這是前提條件。單電子具有波的性質意味著，可以用經典的光的波動理論來描述電子雙縫實驗，這樣就不用考慮它究竟是通過哪個縫隙的問題了，因為通過哪個都可以自相互作用發生干涉。就好像一個人跳格子，左一下，右一下，這樣就留下了干涉條紋。
答案： 因為波動關系，我們必須要用惠更斯和菲涅爾的光的波動理論來解釋。 也就是波動「包絡面」「次波」的概念的來理解。
結論二：當觀測電子時，干涉消失，表現為粒子屬性。
答案： 對實驗結果產生影響的不是人的意識。
如果是因為意識，那麼人的觀測和物體的觀測應該有不同的結果，因為物體沒有意識。但通過公開的實驗信息知道，無論是實驗者自己看還是攝像機測，干涉條紋均不會出現。
答案： 電子或者光子不具有自我選擇意識。 （見本文第四部分的新聞一證明）
答案（未經實驗的推測）：目前能想到的合理自洽的解釋是， 觀測行為影響結果的原因是「有序的定向觀測」影響。
在實驗中，每一個物體都可以通過輻射來「觀測」電子，但這些觀測是無序並混亂的。現在有一個開著的攝像機，對著雙縫觀測，形成一個有序的「定向觀測」，影響到了電子的干涉條紋的形成。「定向觀測」觀測取消，干涉條紋又出現。（如果以開著的攝像機因為通電而有磁場來解釋其與其他物體的不同也是說不通的，因為實驗室通電的設備不僅有攝像機。）
至於影響的機制，通過場的方式來破壞電子的干涉條紋形成的可能性比較大。（可以通過建一個定向磁場來影響電子雙縫實驗的方式驗證。）
對於觀察行為影響結果，可以這樣理解：一組「電子」水波，向前走，遇到擋板的兩個縫隙，大家知道肯定要發生干涉條紋的。但這個時候，水盆里突然掉入一塊石頭（觀測行為），干擾了干涉條紋的形成，沒有這塊石頭，干涉條紋將會出現。
假設在某大學一個實驗室中做這個實驗，當實驗外有人看著這個實驗室時算觀測嗎？實驗室是否隔絕了這樣的觀測？
答案： 觀測距離是有限制的。
目前是這樣的認為，實驗外面的情況，對實驗室內的實驗，起不到觀測作用。這點可以用觀測行為發生作用需要達到一定的輻射能量強度來解釋。
只要光通過兩條縫隙的實驗條件符合，干涉條紋就出現，並不受觀測行為影響，但單電子卻不同，這是為何？
答案： 光束和一個電子的「穩定性」不同，單個電子對觀測能量更加「敏感」。
影響的能量不足以影響到光束形成干涉條紋，但足以影響到電子的干涉條紋形成。這就是量子力學與宏觀物理學的區別。
中科大新聞網：中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組 首次實現了量子惠勒延遲選擇實驗，制備出了粒子和波的疊加狀態 ，極大地豐富了人們對玻爾互補原理的理解。
研究成果作為封面文章發表在9月份的《自然-光子學》上，英國著名量子物理學家Adesso教授和Girolami教授，在同期雜志的《新聞與觀察》欄目以《波-粒疊加》為題撰文，高度評價了這一研究成果：「量子惠勒延遲選擇實驗的實現挑戰互補原理設定的傳統界限，在一個實驗裝置中展示光子可以在波動和粒子兩種行為之間相乾地振盪」。《自然-物理》雜志也以《選擇的問題》為題在《研究高亮》欄目報道了該成果，評價該成果「重新定義了波粒二象性的概念」。
量子實驗裝置的引入，使得人們可以從一個全新的視角來觀察世界，就好像給我們安上了一雙「量子的眼睛」，能夠看到經典探測裝置觀察不到的物理現象。此項研究工作拓展和加深了人們對玻爾互補原理的理解，揭示了互補原理和疊加原理間的深層次關系，也使得人們對「光是什麼」這個縈繞千年的問題有了更進一步的理解。
該項研究受到科技部和國家自然科學基金委的資助。
光是什麼？這是個古老的科學問題。三個世紀以來粒子和波的概念就一直是對立的，比如牛頓最初的粒子說和胡克及惠更斯的波動說。現在我們對光的理解可以歸結為玻爾的互補原理，即光具有波粒二象性，波動性和粒子性這兩種屬性即對立又互補，一個實驗中具體展示哪種屬性取決於實驗裝置。比如在由兩塊分束器構成的馬赫-曾德干涉儀中，單個光子被第一個分束器分到兩個路徑上，在第二個分束器所在位置重合。如果我們選擇加入第二個分束器，則構成干涉儀，有干涉條紋，觀測到波動性，反之如果我們選擇不加第二個分束器，則不能構成干涉儀，沒有干涉條紋，觀測到的是粒子性。馬赫-曾德干涉實驗是可以用量子力學解釋的。
然而存在一種隱變數理論認為，光子是有自由意志的，在進入干涉儀之前光子就察覺到有沒有第二個分束器，然後光子根據它察覺到的信息決定自己經過第一個分束器的方式，從而展現粒子性或波動性。
為了檢驗這種隱變數理論和量子力學孰是孰非，玻爾的學生惠勒於1978年提出了著名的延遲選擇實驗，即實驗者延遲到光子已經完全經過第一個分束器之後再選擇加不加第二個分束器。在經典的惠勒延遲選擇實驗中，探測光的波動性和粒子性的實驗裝置，即加與不加第二個分束器，是相互排斥的，因此光的波動性和粒子性不能夠同時展現出來。
李傳鋒研究組設計出了量子實驗裝置，巧妙地利用偏振比特的輔助來控制測量裝置，使得測量裝置處於探測波動性與探測粒子性的兩種對立狀態的量子疊加態上。他們利用自組織量子點產生的確定性單光子源作為輸入， 實現了量子的惠勒延遲選擇實驗，排除了光子有自由意志的假設，並首次觀測到了光的波動態與粒子態的量子疊加狀態。
實驗結果顯示，處於波粒疊加態上的光子，既不象普通的粒子態那樣沒有干涉條紋，也不象普通的波動態那樣表現出標準的正弦形干涉條紋，而是展現出鋸齒形條紋這樣一種「非波非粒，亦波亦粒」的表現形式。
2015年澳大利亞一個研究小組也獲得光同時表現出波粒二象性的單個快照，新聞也摘錄如下：據澳大利亞spacedaily網站2015年3月3日報道，量子力學告訴我們：光可以同時表現波粒二象性。然而，人類迄今為止還從未在實驗上同時拍攝到光的波粒二象性；最多我們能看到光波動性和或粒子性，但總是在不同時間。
通過採用完全不同以往的實驗方法，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家們第一次從實驗上同時拍攝到光波粒二象性的快照。這項突破性研究成果發表在《自然通訊》雜志上。
Fabrizio Carbone說：「這項實驗有史以來第一次證明，我們可以直接拍攝量子力學及其矛盾屬性。」
此外，這項開創性工作的重要性在於它可以擴展基礎科學到未來技術。正如Carbone解釋說：「能夠像這樣在納米尺度對量子現象進行成像和控制，開辟了邁向量子計算的新途徑。」
當紫外光線照射金屬表面時，它導致電子發射。阿爾伯特 愛因斯坦這樣解釋「光電效應」：光原本認為僅僅是一種波，其實它也是一束粒子流。雖然各種實驗已經成功觀察到了光的波動性和粒子性行為，但是它們從未被同時觀測到。
EPFL的Fabrizio Carbone領導的一個研究小組，利用一個巧妙的方法完成了一項實驗：使用電子來使光成像。研究人員有史以來第一次，獲得光同時表現出波粒二象性的單個快照。
實驗這樣設置的： 一束激光脈沖照射在微小的金屬納米線上。激光使納米線中的帶電粒子能量增加，引起它們振動。
光沿著這根小小的納米線在兩個可能的方向上傳輸，就像公速路上的汽車。當沿相反方向傳輸的光波相遇時，它們會形成駐波（stand wave）。這里，駐波成為實驗的光源，在納米線周圍輻射。
實驗的巧妙之處在於：科學家們在納米線附近發射一束電子流，利用它們來使光的駐波成像。因為電子與限制在納米線中的光相互作用，因此，電子會加速或減速。利用超快顯微鏡對電子速度發生變化的位置成像，Carbon的團隊現在可以使這個作為光波動性指紋的駐波可視化。
這種現象說明光的波動性，同時它也證明了光的粒子性。當電子在很接近光駐波的地方傳輸時，它們與光粒子，即光子發生碰撞。
如上文所述，這會影響電子的速度，使它們移動得更快或更慢。這種速度變化表現為電子和光子之間能量「包」（量子）的交換。這些能量包之間的交換，表明納米線中的光是一種粒子。