托马斯·杨和他的经典实验

和小火车托马斯一样，物理学家托马斯·杨（图1.4）也来自英国，他出生于1773年。

图1.4

1801年，托马斯·杨在实验中首次观察到了光的双缝干涉：一束光经过两条很窄的缝隙后，产生了数条明暗不等的条纹（图1.5）。对比一下前面的水波双缝实验得到的干涉条纹，是不是非常相似？

图1.5

只要你在初中物理课上没有走神儿，你就会知道，光是一种电磁波。因此，鉴于光同属于波，它出现和水波相似的结果也是非常合理的。

光是由不可再分割的一小束电磁能量——光子——组成的。所以每个光子都是电磁场中的一小段波，且每段都是不能再分割的最小状态。在这样的情况下，实验者用光子继续进行双缝实验。发射光子时，每个光子都只能穿过其中一条缝隙（图1.6）。

图1.6

所以如果同时发射多个光子，让它们分别穿过两条缝隙，那么光子的波的特性依然会相互作用，并最终产生干涉条纹（图1.7）。

图1.7

实验进行到这里，一切似乎都没有逃脱我们熟悉的宏观世界的物理规律，似乎量子力学并没有多少神奇之处。

别急！接下来，实验者稍稍修改了一下实验流程，每一次只发射一个光子（图1.8），在发射多个光子后，干涉条纹依然诡异地出现了！

图1.8

等等，之前我们不是说过，干涉条纹是由至少两个具有类波特性的物质穿过两条缝隙，在并行状态下互相干涉的结果吗？为什么每次只发射一个类波的光子，一次只穿过一条缝隙，在没有任何相互干涉和相互作用的情况下，仍然会出现干涉条纹呢？

情况是这样的，当发射的第一个光子穿过其中一条缝隙后，它会落在一个能观测落点的屏幕上（图1.9）。

图1.9

然后发射第二个、第三个、第四个光子也是一样的，它们穿过缝隙，然后在屏幕上留下各自的落点。当实验者不断发射单个光子，落点越来越多时，神奇的干涉条纹就产生了（图1.10）。

图1.10

可是，实验者明明每次只发射了一个光子，在运动过程中它能跟谁产生相互作用呢？这一点非常神奇！而且不只是光子，发射单个电子也会产生类似的结果。甚至原子、分子或者是由60个碳原子组成的巨型球状分子，也能在相同的实验条件下得出类似的结果。

所以我们不得不接受一个事实：这些组成世间万物，包括你和我的最小物质，都是以某种波的形式穿过两条缝隙，穿过之后又与其自身发生干涉和作用，最终形成干涉条纹的（图1.11）！但是这样的表述非常抽象。

图1.11

如果打个比方的话，这就好像是，在光子从发出点到落点的路途上，有一张以特定规律波动的网（图1.12）。

图1.12