今天要給大家介紹一個物理學中最具詭異的實驗之一——雙縫干涉實驗，它可以顛覆您對宇宙、時空、世界的看法。可能不少理工科的觀眾朋友會說，這個實驗高中課本裡就介紹過啊，就是用來證明了光具有波動性的一個實驗，有什麼特別的呢？別着急，等我把來龍去脈說清楚了，大家再做定論。
光的波粒之爭
來到物理學的世界，現代科學之父、英國科學家牛頓（Isaac Newton）就是不得不提的人物了。在《時間是幻覺？！》這期節目中他就曾隆重出場過。人類近代光學體系的研究是在17世紀由牛頓建立的。
牛頓為了研究光學，可以說不顧一切。他曾經連續多日用肉眼直視太陽，觀察人的視覺對光的感應。甚至用一根針插入自己的眼睛，壓迫眼球，以了解人眼在感光中的作用。這裡提醒一下，大家可千萬不要模仿這些瘋狂的行為啊。牛頓在經過大量的實驗之後，提出了他對光的理解，即光是一種物質微粒，總是以直線傳播，並會發生反射和折射的現象。
而同一時期，英國另一位科學家胡克（Robert Hooke）則提出了光是一種波的理論。光波理論得到了荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens）的支持。
牛頓與惠更斯兩位科學家泰斗就光是粒子還是波進行了一場辯論，但是誰也說服不了誰。
牛頓在1704年出版著作《光學》（Opticks），用光的波動理論來解釋光的粒子性，而此時惠更斯早已去世多年。沒有了反駁的人，加上牛頓在物理學的權威性，因此光是粒子的說法，在之後的一個世紀都占主導地位。直到一個人出現了。
楊氏雙縫實驗
英國科學家托馬斯‧楊（Tomas Young）是一個天才性的人物，他十三歲時，就已能閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、意大利文與法文的書籍。十四歲時到劍橋大學旁聽，第一天上希臘課時，教課的教授遲到了，楊竟然自己站在講台上給大家上課。教授來了之後，假裝是學生旁聽了一會兒，然後對楊提問，最後教授對著全班同學說：「如果我以後遲到，就請楊先生先代替我上課。」楊也被稱為「世界上最後一個什麼都知道的人」。
而我們今天要說的雙縫實驗的最初版本，就是由楊發明的，也叫「楊氏雙縫實驗」。實驗具體說來很簡單，我們需要一個發光源，一個有兩條狹縫的不透明板，以及一個可探測光的探測屏。如果光是粒子，那麼大家可以想象出，光通過雙縫板之後，應該在探測屏上出現兩道豎線。那麼如果光是一種波呢？那麼就會出現多個豎線的干涉波紋。實驗結果大家都知道了，探測屏上出現了干涉波，證明光是一種波。
但是光的波、粒性的爭論還沒完，因為雙方都遇到無法解釋的現象。最後，這個謎團還是由科學界的天才人物愛因斯坦（Albert Einstein）給破解了。愛因斯坦借由光電效應理論，證明了光的波粒二象性，也就是說光既是一種粒子，也是一種波。
泰勒的雙縫實驗
「楊氏雙縫實驗」採用的是光束，由很多光子組成。為了更好的研究光子的特性，物理學家們開始對「楊氏雙縫實驗」進行改造。
1909年，英國物理學家傑弗里‧泰勒爵士（Geoffrey Taylor）降低實驗光束強度，使得每次只有一個光子發出，一段時間後再去看探測板，他赫然發現探測板上還是出現了干涉條紋。這意味着光子自己和自己發生了干涉，也就是說，一個光子很可能是同時穿過兩條縫。這怎麼回事？難道光子是孫悟空嗎？還會分身？
為了搞明白這個事，科學家們提出了一個想法。能不能在雙縫板與探測板之間加上觀測儀器，看看每一個光子到底是從左邊通過，還是右邊通過。這個想法是簡單直接，然而實驗結果卻是讓人驚掉下巴。
原來實驗結果顯示，只要觀測儀器打開，光子就老老實實的顯示出粒子性，也就是說，探測板上就只能看到兩條豎線。而一旦關閉觀測儀器，光子的波動性就出現了，干涉條紋又明晃晃地顯現在探測板上了。這個實驗可以說是屢試不爽。
說到這裡，讓我想起了中學在學校上晚自習的情景。只要老師不在，大家看小說的、吃東西的、聊天的什麼都有，但是老師一進門時，看到的全是埋頭苦學的好學生，因為早有眼尖的同學通風報信了。
那麼，回到這個改進版雙縫實驗，難道說光子能知道有沒有誰在觀察它，然後依此展現不同的特性嗎？
惠勒延遲選擇實驗
物理學家的興致被光子給調動起來了。1979年，美國理論物理學家惠勒（John Wheeler）提出了一個思想實驗，叫惠勒延遲選擇實驗（Wheeler’s delayed choice experiment）。這個實驗是雙縫實驗的一種變形。
光子發射到半反半透鏡BS1上，有50%的概率通過透明部分透射過去，還有50%的概率碰到鍍銀的部分，發生反射。這個時候，在A、B兩處架設好兩面鏡子，使得光子無論是透射還是反射，最終都會在C點交匯。在C處放置兩個探測器，這樣可以得知光子是通過了哪個路徑，是 A->C，還是B->C。此時，每次發射光子後，只有一個探測器可以探測到光子，也就是光子表現出粒子性，一次只走一條路。
現在開始加碼了，如果我們在C點的兩個探測器之前，再放一個半反半透鏡BS2，並調整BS2的角度，讓某一方向，我們這裡假設是A點過來的方向吧，讓走A->C路徑的光子的干涉波被抵消，這樣探測器A就什麼都看不見了。這時，科學家發現探測儀B上出現了干涉圖案。這說明光子同時通過了兩條路徑，波動性又出來了。
那麼這個實驗中的「延時」又是什麼意思呢？實驗設計，第二塊半反半透鏡BS2不是一開始就放置在那裡，而是在光子已通過A點之後再隨機設置上。科學家心裡打着小算盤：光子你都走了一半了，我突然不觀察你了，難道你還能突然由粒子性變成波性？
實驗結果如何，估計大家都已經猜到了。只要設置了第二塊半反半透鏡BS2，探測器B立馬出現干涉圖案。
看到這裡大家是不是覺得挺燒腦的？其實也可以這樣理解，在泰勒的雙縫實驗中，觀察儀器要麼是開的，要麼是關的。而惠勒的實驗，相當於，在光子穿過雙縫之後，再臨時決定開不開觀察儀器，準備給光子來個措手不及。不過，每次光子都能迅速反應，及時調整。光子真是躲貓貓高手啊！
實驗做了無數次，結果是一樣的。估計科學家此時內心是很崩潰的，這用經典物理學沒法解釋啊。要麼說明光子有預見性，能夠預測到科學家什麼時候要觀察它；要麼說明光子能夠逆轉已發生的事情——一旦發現情況有變，趕快回到過去，重新走一遍。
量子擦除實驗
這樣看來，似乎光子只要自己走的路徑被知道了，就會展現出粒子的特性，乖乖地一次走一條路，否則就是波的特性，到處跑。科學家為了驗證這一點，繼續改進雙縫實驗，設計出了「量子擦除實驗」。這又是什麼東西呢？簡單地說，將已知的光子路徑變成未知。
1982年，物理學者馬蘭・史庫理（Marlan Scully）與凱・德魯（Kai Drühl）最先提出量子擦除實驗的想法，他們表明，假設測得粒子的路徑信息，則觀察不到干涉圖樣，但是，假設能夠用某種方法擦除路徑信息，則干涉圖樣又可被觀察到。科學家們隨後設計出了多種「量子擦除實驗」，我們這裡僅挑一種方法來和大家說一說。
光子是會旋轉的，有左旋和右旋，現在實驗通過放置「四分之一玻片」（quarter-wave plate）使得從一個縫出來的光子都是左旋的，從另一個縫出來的光子都是右旋的，這時只要在探測板上探測出光子的旋轉性，就知道它是從哪條縫過來的，也就知道它的路徑了。這樣做時，光子不會發生干涉。而如果在探測屏之前加上一個偏光鏡，將所有的光子都改變成左旋或者右旋，這樣人們就無法得知到底哪個光子通過了哪條縫，也就相當於擦除了光子路徑，這時干涉條紋又回來了。
延遲選擇量子擦除實驗
這還沒完，科學家們是和光子槓上了，又設計出了「延遲選擇量子擦除實驗」。顧名思義，就是把我們前面介紹的「延遲實驗」和「量子擦除實驗」結合起來。
找一對相互糾纏的光子a和b，然後光子a通過雙縫射向探測器a，不對其進行觀察。只觀察光子b。因為這兩個光子是糾纏的，所以觀察一個光子，就等於也觀察了另一個。光子b則射向一塊偏光鏡，通過隨機調整偏光鏡的角度，從而時而保留光子b的路徑，時而擦除它的路徑。結果發現，光子b的路徑被擦除時，光子a在一切條件不變時，也會對應出現干涉。
而這裡光子a和光子b的路徑不一定是一樣長的。什麼意思呢？以誇張的方式打個比方，光子a在一納秒的時間就可以抵達探測器a，而實驗者可以通過儀器讓光子b經過一年的時間抵達探測器b，這個時候回過頭來檢測光子a的情況，如果這一年間光子b的路徑是不可知的，那麼光子a就會顯示出干涉。這就太奇怪了，就好像光子a在一年前就知道光子b之後一年的路徑。又好似光子b在一年後穿越回去告訴光子a自己的路徑有沒有暴露。
如果把這個發生在量子世界的奇事拿到宏觀世界來說，似乎可以為宿命論提供一些依據，也就是未來要發生的一切，也許在過去的某一點早就全部定好了，一切只是按照寫好的劇本在進行着。看似你的人生很長，但是可能在你出生那一刻什麼都注定好了。
但同時，光子隨觀察而改變又可以這樣理解，就是人的意識是可以影響到這個世界的，我們對世界不同的觀察和回應，能影響這個世界呈現給我們的樣子，也在某種程度上改變着未來。中國古籍中記載了很多行善之人改變命運的故事，或許就是這樣的。
超心理學的雙縫實驗
科學家與量子的躲貓貓遊戲發展到這裡，其它領域的科學家也來湊熱鬧了。這次出馬的是超心理學家迪恩‧雷丁博士（Dean Radin）。雷丁在以加州為基地的思維科學研究所（IONS）擔任首席科學家，在此之前，他曾在AT&T貝爾實驗室、普林斯頓大學、愛丁堡大學和國際斯坦福研究所（SRI International）任職。
雷丁在2012年發表的論文中描述了自己的實驗過程。他找來了137名冥想者，有的人擁有豐富的冥想經驗，善於控制自己的意念，而有的人則是偶爾冥想的人，雷丁將他們分成兩組。在他們調整身心進入冥想之後，雷丁向他們發出指令，讓他們將自己的意念集中到雙縫干涉實驗儀器上，保持15-30秒，然後再下令轉移意念。
實驗結果令人震驚。當冥想者將意念集中到雙縫干涉實驗上時，探測屏上的干涉圖像變淡了，表現光子粒子性的兩條豎紋圖案變得更加清晰。而當冥想者將意念移開時，清晰的干涉圖像又出現了。而且，冥想經驗豐富的那一組，實驗結果更明顯，干涉圖像消失得更多。為了減少實驗誤差，雷丁做了250次這樣的實驗，結果是一致的。
在之後的改進實驗中，雷丁還發現，冥想者與雙縫實驗器材的遠近對實驗結果影響不大，冥想者的經驗、精神集中力等才是關鍵因素。雷丁的研究成果說明，至少在微觀世界，意識是可以改變物質世界的。這麼轟動性的事情，怎麼大家好像都沒怎麼聽說過，為什麼呢？或許是因為雷丁的結論太過挑戰唯物論，或許由於雷丁不是物理學家科班出生，且超心理研究還未能被廣泛接受，所以目前科學界對雷丁的實驗結果持謹慎態度。
不過，咱們還是那句老話，科學沒認識和接受的，並不代表不存在，或許只能說明科學還不夠發達。就日常生活來說，可能很多人都發現了，同樣一件事情的出現，如果以積極的態度對待，事情就會往美好的方向發展，反之則會越來越糟糕。中國古老的智慧中就有「相由心生，境隨心轉」的說法，這也算「意識改變物質世界」的一種展現吧。
好了，今天就和大家分享到這裡。故事有些長，謝謝大家一直堅持看到這裡，未解之謎，我是扶搖，我們下期再見啦。
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責任編輯：李維真#
