为什么会有人说双缝干涉实验是恐怖的？恐怖在哪儿？

作者：李春生丨@一只大象x西风歪马（书房记特约专栏作者）

为什么说双缝干涉实验恐怖呢？这个实验并没有危险性，不会吃人，更不会让世界毁灭！你恐怖个啥呢？。事出蹊跷必有妖。忽然灵光一闪，写作业和考试对某些小学生是不是很恐怖？哈哈！如果学习的知识都已经掌握，那还恐怖个啥呢？之所以恐怖，就是作业不会做啊！

原来如此！

原来如此！

也就是说，并不是所有人都对双缝干涉实验感到恐惧。那么，到底是哪些人感到恐惧呢？有意思吧！

双缝干涉实验是谁放出来的幺蛾子呢？

原来是一个货真价实的"民科"干出来的"好事儿"。

托马斯斯-杨，一个英国医生，不好好研究治病救人新方法，提高自己的医疗水平，却去捣鼓什么物理学，弄出个双缝干涉实验，让后世的一些物理学家伤透脑筋，到现在都没有逃出他的"魔爪"。

"尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我……遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。"

你听听！你听听！这是地地道道的民科语言，赤裸裸地向科学巨匠叫板，其气焰只嚣张，与当今的民科相比也有过之而无不及（这是1801年，托马斯· 杨在他出版的《声和光的实验和探索纲要》一书中的宣言）。

这位托马斯· 杨用把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。这张纸的后面的第二张纸上开了两道平行的狭缝。点光源的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是著名的双缝干涉条纹。［如图］

他把自己的胡思乱想写成一篇所谓的论文到处投稿，被各主流刋物拒绝后，又到处去骚扰各个主流学者。黔驴技穷之后，竟然把自己的思想印成小册子到处散发，造成极为恶劣的影响。其所作所为和现今的民科如出一辙。不！他就是民科的鼻祖。不！不！民科的鼻祖在古希腊，他只能算是胡闹的"小丑民科"的鼻祖。

这位医生很能折腾，在近20年的时间里，他上蹿下跳、左右折腾，其作法为权威们所不齿，受尽嘲讽和讥笑，结果是他始终不能得逞。直到法国物理学家及军事工程师艾蒂安·路易斯·马吕斯（ Etienne Louis Malus）的偏振学说和法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）的衍射原理被主流学界认同后，托马斯-杨的双缝干涉实验才被人重视，潘多拉的盒子就此打开。

菲涅耳用严格的数学证明将惠更斯原理发展为后来所谓惠更斯——菲涅耳原理，当考虑到各个次波叠加时的"相位关系"时，就可以圆满地解释光的反射、折射、干涉、衍射等现象，就可以消除波动说的最大困难——对于光的"直进现象"的解释。人们把民科托马斯· 杨的双缝干涉实验翻出来进行实验后，发现穿过两条狭缝之后，两路光的确产生了干涉。

双缝干涉实验所揭示的光的干涉现象十分确凿，无人拿出更合理的解释进行有效的反驳，没人能够用粒子说的逻辑解释两道光叠加在一起怎么反而造成了黑暗。而以波动说的解释却是简单而直接的——两条狭缝（或两个孔）距离屏幕上某点的距离会有所不同，当这个距离差是波长的整倍数时，两列光波正好相互加强，于是这个位置就会出现明亮条纹。反之，当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好相互抵消，这个位置就会出现暗的条纹。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。

托马斯·杨的双缝实验、菲涅耳的泊松亮斑和傅科对光速的测量为光的波动说的胜利提供了有力的证据。菲涅耳圆满地解释了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和偏振光的干涉等现象，验证了光是一种横波，光是以太的横振动。

不久，波动说迎来了最重要的两个物——英国物理学家、化学家，著名的自学成才的科学家迈克尔· 法拉第 （Michael Faraday，这是另一个货真价实的民科）和英国物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。

1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在，他认为电磁波只可能是横波。根据他的方程可以证明出电磁场的周期振荡的存在，这种振荡就是电磁波，一旦发出就会通过空间向外传播。根据方程，麦克斯韦计算出电磁波的速度接近300、000公里/秒，麦克斯韦认识到这同所测到的光速是一样的。由此他得出光波是由电磁波构成的正确结论。同时他大胆推论：光、电、磁是同一种东西，光波只是电磁波的一种形式。

1888年德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）用实验验证了电磁波的存在。他还通过实验发现无线电辐射同样具有波的所有特性，由此将电磁波谱延伸至最长的频率。赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光波类似的特性，如反射、折射、衍射特性，电磁波还如同可见光、热波一样的具有偏振现象。并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦电磁理论的正确性。他还发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，通常称为波动方程。赫兹还进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。

通过麦克斯韦和赫兹的努力，电磁波理论得到了空前的完善。电磁波是电磁场的一种运动形态，电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。电磁波的振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，电磁波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。无线电波、红外线、可见光、X射线、γ射线等都是波长不同的电磁波。电磁波受媒质和媒质交界面的作用，在通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等现象。由此，完成了光现象和电磁现象之间的统一，经典电动力学建立，成为现代科技的基石。第二次波粒之争以波动说的全面胜利告终。经典电动力学由此建立，人类现有电子科技都建立在电动力学基础上。

第一次波粒之争牛顿因为自己的名望而获胜。但是，如果把光看作是粒子，牛顿连自己的牛顿环都无法解释，只能用"一阵折射一阵反射"来解释分光现象。面对双缝干涉实验，牛顿如何用他所的光粒子来解释光的干涉呢？双缝实验证明光以波动形式存在，而不是牛顿所想象的光粒子。问题是，不仅牛顿无法解释，后世的粒子学家们也都无法自洽地解释这个简单的双缝干涉实验。现在，即使是精确地用单个的光子或电子也会产生同样的明暗干涉条纹。

19世纪末，物理学的天空飘来一朵乌云——"紫外灾变"也被称为瑞利-金斯灾变。按照当时的经典物理学电动力学理论，辐射是连续的。在带来了一个严重的问题，在计算之黑体辐射时，强度会随辐射频率上升，而趋向于放出无穷大之能量，其结果与实验数据无法吻合。

1900年，普朗克提出辐射能量并非是连续输出，而是分成一份份的能量子。这个能量子是一粒粒的粒子？还是一段段的并不连续的电磁波呢？普朗克倾向于后者！他进而提出"万物皆是波"。

"紫外灾变"问题的重点是，辐射是连续的，还是非连续的？如果把能量子看作一段段的并不连续的电磁波就可以完美地解释"紫外灾变"问题，即修改经典物理学之前的假设，将连续辐射修改为非连续辐射问题就解决了。但是，一些学者认为能量子是一粒粒实实在在的粒子。爱因斯坦在普朗克能量子的基础上提出光也是一种光能量子，简称光量子，这是一种粒子，后世称为光子。粒子说的观点得到了相当多的学者支持，并且由此建立了一个粒子物理学——量子力学。

需要注意的是，哥本哈根诠释提出前的量子力学称为早期量子论，之后的才称为量子力学。现代量子力学实际上分为两种，一种是波动说的量子力学，即普朗克、德布罗意、薛定谔的物质波理论和玻姆的隐变量理论；一种是粒子说的量子力学，由玻尔、海森堡和玻恩的哥本哈根解诠释、费曼的路径求和解释、埃弗雷特的平行宇宙理论、惠勒的延迟实验解释，多历史解释、多维度解释和多伊奇的超级大脑解释等互不相融的解释构成。虽然量子力学的数学公式全部使用的是波动力学方程，但是，因为粒子说逐渐主导了话语权，因此，人们在谈到量子力学时一般指的是粒子说的量子力学。

还有，粒子说的量子力学建立不确定原理的基础上，而不能将所有解析光、电和亚原子粒子的理论都归为量子力学。因为，如果这样，经典光学、绝对电动力学和弦理论都可以称为量子力学了！）。 量子学者们一般也自称为粒子学家。

如果把光看作是实实在在粒子，该如何解释双缝干涉实验呢？现在简要介绍一下粒子说的量子力学理论部分的几个主要解释。

哥本哈根诠释。当不去观测粒子到底通过了那条狭缝时，它就会同时通过了两条狭缝并产生干涉条纹；当去测量粒子具体通过哪条狭缝时，粒子就选择一条狭缝穿过而不会产生干涉条纹。测量是哥本哈根诠释的核心，测量行为"创造"了整个世界。例如，只要不观测，月亮就处于存在与不存在的状态。有趣的是，人择原理必然推导出神择原理，因为宇宙需要一个无处不在的有智能的观测者以让宇宙的每个角落同时保持存在。

延迟实验解释。人择原理的增强版。所谓的"延迟"指的是粒子通过双缝后再来选择粒子究竟是通过了一条缝或是同时通过了两条缝，即用结果决定原因。

路径求和解释。为了摆脱观测者，费曼的解释是粒子从A地运动到B地，它并不具有经典理论中所描述的那样有一个确定的轨道，而是一种所有可能运动路径轨迹的叠加。

多世界解释。这就是大名鼎鼎的平行宇宙理论。为了摆脱观测者，埃弗雷特的解决办法是，粒子穿过双缝的一瞬间，宇宙就在瞬间分裂为两个一模一样的宇宙，在一个宇宙一个粒子从左边缝隙穿过，另一个宇宙里一个粒子从右边缝隙穿过来绕过双缝难题。请注意，从双缝分裂后的平行宇宙永远分离并且不再相关联，另一个粒子如何回到同一个宇宙并产生干涉条纹呢？

多维度解释。让两个粒子分别穿越不同的空间维度来替代平行宇宙理论分裂后无法再合并的两个宇宙。即让一个粒子变成"鬼"粒子穿过抽象的n维空间来绕过双缝难题。

多历史解释。一个粒子穿越一个狭缝是一个历史，另一个粒子穿越另一个狭缝是另一个历史，最后只有一个历史呈现在我们的世界里，其它无数个穿越历史被中和掉了。问题是，另一个粒子如何回到同一个宇宙历史中并产生干涉条纹呢？

请注意！量子力学的理论部分都不过是双缝干涉实验的不同版本的解释而已，这些基于粒子说的解释都纠结于一个粒子怎样同时穿越两条狭缝，问题是，两条狭缝的解释都不能自洽，那么，更多狭缝时怎么办呢？例如偏光眼镜有数十万条狭缝，如何解释一粒光子同时穿越了十万条狭缝同时到达了我们的眼睛呢？最重要的问题是，"丑媳妇总是要见公婆的"，无论让量子怎样"掩耳盗铃"绕过双缝选择难题，所有解释双缝干涉实验的理论都必须自洽地解释量子在同时穿过两条狭缝后怎样相互干涉并产生干涉条纹这个终极问题。可惜，没有一个粒子说的理论能够自洽地解释这个简单的问题。这才是干涉实验的恐怖之处！

约翰·格里宾总结道："许多量子学家设计一些实验并不是为了解释疑惑，而是想告诉众人量子力学的本质就是奇异性的。他们认为量子理论最显著的特征之一就是存在着许多关于这种存在'究竟意味着什么的'的不同解释。就其哲学基础而言，这些解释之间大多是相互矛盾的。量子理论看起来对许多相互之间相互排斥的解释都是允许的。就像在实验中光子同时通过双孔（双缝）一样，在某种意义上，所有的解释都是正确的，有一些物理学家并不试图说明哪一些解释是正确的，而是建议我们从各种不同的解释中多少了解了解一下量子世界，将所有的观点都考虑进去，将其看成各种可能的叠加。事实上你可能会发现有少数物理学家（这些人根本就不愿意去思考这些事情）顽固地坚持一种观念，那就是他们所喜欢的那种解释才是正确的，而其他的解释'显然'都是错误的。"［《寻找薛定谔的猫》354页]

问题来了！根据逻辑一致性（Logical Consistency）原则，两个相互矛盾的陈述不能同时为真，真理只有一个，真相只有一个；还有语用一致性（Pragmatic Consistency）即（理论的）结论不能与真实世界矛盾。每一个理论都是一个完整的逻辑体系，一个理论是否正确，最基本的要求是理论没有逻辑矛盾和漏洞，所有的理论的逻辑链条都必须完整自洽，都必须满足逻辑一致性的要求。物理理论为解释客观世界而存在，而不是为证明一个理论正确而创造一个宇宙来满足这个理论的要求。如果把光和电看成是粒子，就无法自洽地解释一颗粒子如何同时穿过两条狭缝，存在半粒光子吗？存在半粒电子吗？两条狭缝都无法自洽地解释，更多的狭缝更是晕菜。我们日常使用的偏光太阳镜的每个镜片有大约十万条狭缝，如何解释在我们这个有智力的观察者的观测下分成了10万份呢？一粒光子可以分为10万份吗？所谓的观测不观测不同是不是个笑话呢？

人们绞尽脑汁都无法得到逻辑自洽的解释，对粒子说的理论来说，简单的双缝干涉实验就是一个令人"毛骨悚然"的，是恐怖的，是一道无法逾越的"鬼门关"。很有意思，明明双缝干涉实验证明光是波，有人却偏偏把光看作是实实在在的惯性粒子，当然无法解释这个简单的实验。有人会说，量子力学认为光、电子和亚原子粒子都具有波粒二象性。但是，这个结论需要弦理论学家们同意才可以。因为，弦理论认为量子既不是粒子，也不是波，而是不同振动模式的弦。因此，现在的量子具有波、粒、弦三象性。问题是，量子到底是波、粒子还是弦呢？

当我们确认量子什么时候是粒子，什么时候是波时（弦事实上是换了马甲的波），谜底才能解开。在此之前，我们不能说什么理论绝对正确，什么理论绝对错误。科学就是不断追求真相，找出真相的过程。

尤瓦尔·赫拉利指出："尊重知识、听取学者意见很好，但发展到崇拜任何人的程度都很危险，包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威，他（她）自己都可能信以为真，进而变得骄傲自大，甚至陷入疯狂。对追随者而言，一旦他们信奉某人为权威，便会自我设限，停止努力，只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的，他们也会通盘接受。"

我们面对（科学先贤们）不朽的理性群碑，也就是面对永恒的科学灵魂。在这些灵魂面前，我们不是要顶礼膜拜，而是要认真研习解读，读出历史的价值，读出时代的精神，把握科学的灵魂，我们要不断地吸取深蕴其中的科学精神，科学思想和科学方法，并使之成为推动我们前进的伟大精神力量。［牛顿，《自然哲学之数学原理》，弁言第5~6页］科学的精神是什么？那就是敢于质疑权威的勇气和对一切事物保持好奇的眼光。智慧从怀疑开始，真正的科学精神是理性、怀疑、批判和实证。终极理论不会是一个全新的理论，它就藏在现有的理论之中，当我们以客观逻辑为工具，就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧，他们点亮了一个又一个灯塔，指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确，也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误，那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

我们应当时刻提醒自己，批判性思维是我们避免误入歧途的重要保证。我们身处在同一个宇宙，所以，我们只需要一种可以解析所有疑惑的物理理论，这个物理理论必须没有逻辑矛盾和逻辑缺陷，可以完美的描述我们这个宇宙的运作细节，并以此为基础展望宇宙的未来。真相总是朴实的，真理总是简洁的。有时，对有些问题，我们并不缺乏揭示真相的能力，更多的时候我们缺乏的是面对事实的勇气。