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图1.6
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简单说下这里为什么用缝，而不是用很小的开口（如小孔）作为光源。为了使干涉更明显，这个小孔必须很小且足够靠近。在这个限制下，小孔将无法使足够的光通过。但是如果适应细小的双缝，只要愿意，你可以设计成你想要的任意长度，你将获得更多的光以及更好的成像图样，即使这两个光源很小而且靠得很近。因此，这个实验通常是使用缝隙而不是小孔去演示。
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屏幕上亮线部分坐落在从双缝出来的光互相加强的部分，而暗线则是相消部分，这也就证明了光是由波组成的（见图1.7）。
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事实上，一旦你知道光是由波组成的，你可以在很多地方发现干涉效应。举例而言，干涉使肥皂泡出现闪烁的颜色。肥皂泡的壁是由一层薄薄的水层组成，当光线照射在肥皂泡壁上时，会在两个表面产生反射。
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图1.7
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内层反射的光束在通过水抵达外表面的时候会有延迟，穿出之后会与外表面反射的光在步调上产生差异，步调错位的程度与水的厚度及光的频率或者颜色有关。当两束光合在一起到达我们眼睛的时候，步调不一致的将会彼此相消并从光谱中删去，恰好步调一致的会彼此加强。因此，不同厚度的肥皂泡壁会喜爱不同的光，当泡泡扭曲、摇晃和畸变时，这些颜色将会产生变化。自然以其内在极其艳丽的方式揭示了光的波动性，几乎就像它向我们展示海面的波动性那样明显。
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其他展示干涉的例子也很多。斜着去看CD光盘时，反射的光会产生彩虹的颜色，蝴蝶的绚烂颜色，海贝中珍珠母的可爱光泽，雨中在柏油马路上流淌的油泛着的微光，甚至孔雀尾的花样，这些都是自然界告诉我们光是波的方式。但是它不情愿告诉我们，光也会表现得像弹丸倾泻一样。一个模糊不清的现象（即光电效应）和爱因斯坦无与伦比的想象力才揭示出这个奇妙的、被称为光的东西所隐藏的另一面。
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因此，我们该怎么去看待光，它是空间中迅速传播的电磁波，还是幽灵般的粒子束？
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[1]“Do it Yourself Double Slit Experiment(Young’s)—Easy At-HomeScience”,YouTube video,http://www.youtube.com/watch?v=kKdaRJ3vAmA.
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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 [:1700964148]
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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 第3节 波粒二象性
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光子是奇怪的野兽。如果你打算重复双缝实验，并保留到达的光子图像（就像用纸作为目标去保留由来复枪制造的弹洞），你可以注视着图像的发展过程，并且同时观测双缝每一半的光的特性，即波和粒子的双重属性。让光的亮度变弱，使其平均每分钟只释放一个光子。刚开始，屏幕是黑的。然后一个点在某个地方出现了——“砰”的一声，一个很小的孔出现了，意味着有一个光子到达了屏幕。“砰砰”声之间的间隔是随机的：砰—停一下—砰砰砰—长暂停—砰砰—短暂停—砰砰—砰砰砰砰，如此周而复始。在很长一段时间内，这些点看上去是随机散布在屏幕上。但是，当成百上千的光子击打在屏幕上时，你会开始看到一个图样：很有规律的间隔、条纹状图案平行于双缝（见图1.8）。如果你等候足够长的时间，等到成千上万的光子落在屏幕上时，一个很明显的双缝干涉特征条纹的图样就产生了。
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图1.8
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分立的粒子产生了这些点，尽管这些条纹为光是波这一论点提供了无可辩驳的证据。或许你会饶有兴趣地耸肩，指出水波是由无数的H2O分子组成的，那么为什么说到光具有类波和粒子性的时候会如此大惊小怪呢？微妙之处在于时序。水波（像球迷在足球场玩起人浪一样）是由无数个单元组成，而每个单元和其他相邻的单元之间通过某种方式彼此连接，所以才表现得整齐一致。但是从激光器射出的光子到达屏幕间隔了很长时间，不可能存在某种联系和交流机会让它们去调整自己的位置。它们可以在抵达间隔数小时而不是几分钟，而图样仍旧一样。这个过程就像上万盲人和聋子观众在不彼此接触的情况下玩人浪。这就像魔术一样，让人感到不可思议。
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如果20世纪早期的物理学家对光子的波粒二象性感到不可思议，很快他们会更加震惊。从1923年开始，他们逐渐意识到波可以表现得像粒子一样，反过来也是成立的：电子一直以来被认为是粒子，同样能表现得像波一样。这个令人震惊的结论，以极高的精度在类似于双缝的试验中得到了证明。激光被替换成电子流，束流强度可以像激光一样调整，并且这个双缝要远比自制的光的双缝干涉实验要小且距离更近。替换空白的墙或者摄影胶片的是一个荧光屏幕，这个屏幕会在电子撞击的时候闪光。可实验结果几乎一模一样：点以随机时间间隔出现并且位置飘忽不定，但是最终慢慢地变成了一个完美的平行干涉条纹（请在第五节阅读更多相关内容）。
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历史总是十分巧合和讽刺，波粒二象性也巧妙地体现在英国的一对父子物理学家身上，这两个人帮助奠定了现在所知的量子理论的基础。在1906年，J.J.汤姆森（J.J.Thomson，1856—1940），当时的物理实验大师之一，通过使用电场记录电子类似于高尔夫球在地球引力场中路径一样的抛物线轨迹，证明了电子是一种粒子，并因此获得了诺贝尔奖。31年之后，他的儿子G.P.汤姆森（G.P.Thomson，1892—1975），跟随他父亲的脚步，通过展示电子的破坏性干涉从而证明了电子是波，因此也获得了诺贝尔奖。
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这对父子中的父亲，也是位优雅的作家。他总结了这个困境：“（物理中波粒二象性这个观点）就像老虎和鲨鱼之间的争斗一样：每一个在自己的领域都拥有至高无上的霸权，但是在对方的领地却是无能的。”想象一下，光子或者电子作为一种粒子而言，都无法解释双缝干涉。当把它们当作一种波时，则无法解释光电效应。波的理论和粒子的理论似乎无法兼容。
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J.J.汤姆森话中提到的这两个理论，如同鲨鱼和老虎一样从根本上就是不同的，对应着光子和电子在不同的环境中的状态。这种解释并不能使急切寻找真理的我们得到满足。物理学的目标不仅仅是讲述关于我们这个物质宇宙中每个物体和事件令人信服的故事，更是去制造一个单独的史诗般的作品，一个描述我们所在自然界的一致性的理论。没有谁比爱因斯坦对寻找统一理论更有激情，而且他在鲨鱼和老虎之间的激烈竞争中已经独领风骚。早在1909年，即提出光量子之后4年，量子力学诞生前6年，他在德国物理学家的一次会议上在报告中预测：“我相信，在下一个理论物理发展的时期，将会有一个新的关于光的理论，这个理论是波和粒子理论的融合。”他很明确地知道需要什么，即使他并不完全满意所得到的解答。
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波粒二象性的麻烦也是显而易见的。波和粒子是我们从日常的、宏观的牛顿世界中获得的不同分类，这对于原子领域是不够的。光子并不像海波或者子弹，电子也不是。它们和日常的波和粒子在一些特点上具有共同之处，可并不是每一个特征都是一样的。那么它们该是怎样的呢？我们无法如《爱丽丝梦游仙境》中的爱丽丝那样将自己缩小到原子的尺度，然后自己去看基本粒子在其所处的环境中的行为是怎样的。我们所能做的，就是用我们的想象力帮助我们去画出一幅与人类尺度的实验室中所观察到的现象一致的图像。
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为了调和不相容的波和粒子的类别，“波粒”（wavicle）这个术语曾被建议来描述电子，但不幸的是，这个丑陋而且非正式的词从来都没有流行起来。我的朋友罗尔夫·温特（Rolf Winter）受J.J.汤姆森用动物做类比的鼓舞，更加生动地把电子比作鸭嘴兽。18世纪时，当探险者第一次把鸭嘴兽从澳大利亚带到欧洲时，大学里知识渊博的博物学家宣称这种动物是伪造的，只不过是把其他动物的身体拼凑在一起。“爬行类动物不会哺乳。”“同时是哺乳类和爬行类的动物是不存在的，因此它不过是一个恶作剧。”他们信誓旦旦地说道。然而，他们所创造的分类是通过自身有限的观察所得到的，这最终被证明是不足以描述地球生物的丰富多样。同样地，光子和电子是可以表现为波的粒子以及可以表现为粒子的波。就像鸭嘴兽一样，他们忽略了这个分类是从不恰当的前例得到的。
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