摘要：在物理学的发展历程中，光的本质问题一直是科学家们关注的焦点，引发了一场持续数百年的激烈争论，被称为 “波粒大战”。这场争论不仅推动了光学理论的发展，也深刻影响了我们对微观世界的认识。

在物理学的发展历程中，光的本质问题一直是科学家们关注的焦点，引发了一场持续数百年的激烈争论，被称为 “波粒大战”。这场争论不仅推动了光学理论的发展，也深刻影响了我们对微观世界的认识。

17 世纪，以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说展开了首次激烈交锋。牛顿主张光的微粒说，他认为光是由发光物质发射出的微小粒子组成，这些粒子从光源高速飞出，在均匀介质中做等速直线运动 。

这一理论能够较为轻松地解释光的直线传播和反射现象，例如，光在均匀的空气中沿直线传播，就像微小的粒子在不受外力干扰时做直线运动；而光的反射，就如同弹性小球撞击光滑平面后反弹一样，入射角等于反射角。

惠更斯则倡导光的波动说，他坚信光是一种机械波，通过一种名为 “以太” 的物质载体进行传播。惠更斯认为，波面上的每一点都可以看作是新的振源，发出次波，这些次波叠加后就推动了光的向前传播。

波动说成功地解释了一些微粒说难以说明的现象，比如光的干涉和衍射。当两束光相遇时，会出现明暗相间的干涉条纹，这就像水波在水面上相遇时，波峰与波峰叠加、波谷与波谷叠加形成更强的波，而波峰与波谷叠加则相互抵消，这是微粒说难以解释的。

这场争论持续了相当长的时间，双方各执一词，互不相让。

由于牛顿在科学界的崇高威望，微粒说在 18 世纪占据了主导地位。然而，进入 19 世纪，情况发生了转变。英国科学家托马斯・杨进行了著名的双缝干涉实验，有力地支持了波动说。他让光穿过两条狭长的缝，在远处的屏幕上观察到了亮暗相间的条纹，这一结果无法用微粒说解释，却与波动说的理论预测高度吻合。

此后，法国物理学家菲涅耳从横波的角度出发，以严密的数学推理圆满地解释了光的偏振现象，并对衍射进行了定量解释，进一步巩固了波动说的地位 。

但故事并未就此结束，当时间来到 20 世纪，爱因斯坦提出了光量子理论，为光的本质之争带来了新的曙光。他指出光既具有粒子性，又具有波动性，这就是著名的光的波粒二象性。

在某些实验中，光表现出粒子的特性，如光电效应，光以光子的形式与电子相互作用，将电子从金属表面击出；而在另一些实验中，光又展现出波动的特性，如双缝干涉实验中的干涉条纹。光的波粒二象性的提出，最终为这场持续了 300 多年的 “波粒之争” 画上了句号 。

1801 年，英国物理学家托马斯・杨（Thomas Young）进行了一项开创性的实验 —— 双缝干涉实验，为光的波动说提供了强有力的支持。这个实验设计巧妙，在当时的科学界引发了轩然大波。

实验的装置并不复杂，在一个暗室中，首先让一束光照射到一个开有单缝的挡板上，这单缝就像是一个线光源，使得光线能够以特定的方式传播。接着，在这个单缝后面放置一个开有两条平行狭缝的挡板，这两条狭缝距离很近，从单缝发出的光经过这两条狭缝后，就被分割成了两束相干光。最后，在双缝的后面放置一块屏幕，用于观察光的传播结果。

当托马斯・杨开启光源，神奇的现象出现了。

在屏幕上，并没有出现两条简单的亮线，而是出现了一系列明暗相间的条纹。这些条纹与狭缝平行，并且条纹间的距离彼此相等。这一现象如何解释呢？根据波动理论，光被看作是一种波，当两束光从双缝中射出后，在空间中相遇并发生叠加。

在某些位置，两列波的波峰与波峰、波谷与波谷相互叠加，使得光的振动加强，从而形成亮条纹；而在另一些位置，波峰与波谷相互叠加，光的振动相互抵消，形成暗条纹。这就如同平静水面上的两列水波相遇时，会出现波峰与波峰叠加形成更高的浪，波谷与波谷叠加形成更深的凹，而波峰与波谷叠加则水面趋于平静一样。

这个实验结果对于光的微粒说是一个巨大的挑战。

按照微粒说的观点，如果光是由微小的粒子组成，那么当这些粒子通过双缝时，应该在屏幕上形成两条与双缝对应的亮线，就像我们向双缝发射玻璃球，最终在屏幕上会呈现两条明显的痕迹一样。但实际的实验结果却并非如此，明暗相间的干涉条纹无法用微粒说的理论来解释。

托马斯・杨的双缝干涉实验，以直观而确凿的证据，有力地支持了光的波动说，让人们对光的本质有了全新的认识。它不仅解决了当时科学界关于光的本质的部分争议，更为后续光学理论的发展奠定了坚实的基础，成为了物理学史上的经典实验之一，开启了人们深入探索光的波动性的大门 。

随着科学技术的进步和对微观世界探索的深入，科学家们对双缝干涉实验进行了进一步的改进和拓展，将研究对象聚焦到单个光子和单个电子，这一升级版的实验结果更加令人震惊，也彻底颠覆了人们对微观世界的认知 。

1909 年，英国物理学家杰弗里・泰勒进行了单光子双缝干涉实验。他将光源的亮度调到极低，使得在任何时间间隔内，平均最多只有一个光子被发射出来 。按照经典物理学的观点，单个光子就像一个微小的粒子，当它通过双缝时，应该只能选择其中一条狭缝通过，最终在屏幕上形成一个对应狭缝的亮点，随着时间的推移，众多亮点会逐渐累积成两条与狭缝对应的亮线。

但实验结果却出乎所有人的意料。

当泰勒让单个光子逐个通过双缝，经过长时间的积累，屏幕上竟然出现了干涉条纹！这意味着，单个光子在通过双缝时，并非如经典理论所预测的那样只通过一条狭缝，而是同时通过了两条狭缝，自己与自己发生了干涉。这一现象完全违背了我们对粒子行为的传统认知，粒子怎么可能同时出现在两个不同的位置呢？

在单光子双缝干涉实验之后，科学家们又将目光投向了电子。电子作为构成物质的基本粒子之一，其行为一直是物理学家们关注的焦点。1961 年，德国物理学家克劳斯・约恩松首次用电子束做了双缝干涉实验 ，此后，电子双缝干涉实验不断被改进和重复。

实验装置与光的双缝干涉实验类似，用一个电子发射源代替光源，发射出的电子束射向开有两条狭缝的挡板，在挡板后面放置一个用于接收电子的屏幕。当电子一个个从发射源射出，起初，屏幕上的亮点毫无规律地分布着，就像随意散落的沙粒。

但随着时间的推移，令人惊奇的事情发生了，这些亮点逐渐形成了明暗相间的干涉条纹，与光的双缝干涉条纹如出一辙。这清晰地表明，电子也具有波动性，单个电子在通过双缝时同样能同时穿过两条狭缝，并与自身干涉 。

为了更深入地探究电子的行为，科学家们在狭缝旁安装了探测器，试图直接观测电子究竟是从哪条狭缝通过的。

然而，诡异的事情再次发生。一旦开启探测器进行观测，干涉条纹就会瞬间消失，屏幕上只留下两条与狭缝对应的亮条纹，电子仿佛从具有波动性的粒子变成了单纯的经典粒子，只通过其中一条狭缝。而当关闭探测器停止观测时，干涉条纹又会重新出现 。这一结果让科学家们大为震惊，观测行为竟然能够影响电子的状态和行为，仿佛电子能够感知到人类的观测意图，从而改变自己的行为方式。

为了进一步探究电子在双缝干涉实验中的奇异行为，科学家们决定在狭缝旁安装探测器，直接观测电子究竟是从哪条狭缝通过的 。他们本以为这样就能解开电子同时通过两条狭缝的谜团，然而，实验结果却让他们更加困惑。

当探测器开启，对电子的行径进行观测时，屏幕上那神秘的干涉条纹竟然瞬间消失了，取而代之的是两条清晰的亮条纹，这表明电子此时仅仅通过了其中一条狭缝，表现出了经典粒子的特性。而当关闭探测器，停止观测时，干涉条纹又会重新出现，电子仿佛又恢复了波动性，同时通过两条狭缝并发生干涉 。

这一现象揭示了量子力学中一个极为重要的概念 —— 叠加态与坍缩。

在没有观测之前，电子处于一种奇特的叠加态，它似乎同时处于通过两条狭缝的状态，就像一个分身术高超的魔术师，能够同时出现在两个地方 。这种叠加态是量子世界的独特性质，与我们日常生活中的经验截然不同。在宏观世界里，一个物体在某一时刻只能处于一个确定的位置，比如我们看到的桌子，它要么在房间的这一角，要么在那一角，不可能同时处于两个位置 。

而当观测行为发生时，电子的叠加态就会突然坍缩为一个确定的状态，也就是只通过其中一条狭缝，表现出粒子性。这就好像当我们去观察那个会分身术的魔术师时，他的分身瞬间消失，只出现在一个位置上 。

这种观测导致的量子态坍缩现象，让科学家们大为震惊，观测行为竟然能够对微观粒子的状态产生如此巨大的影响，仿佛微观粒子能够感知到人类的观测意图，并根据观测者的行为改变自己的行为方式 。

量子态的坍缩过程是瞬间发生的，而且是随机的。我们无法预测电子在观测时会坍缩到通过哪条狭缝的状态，只能通过概率来描述。这与经典物理学中物体运动的确定性形成了鲜明的对比 。

在经典物理学中，只要我们知道物体的初始状态和受力情况，就可以精确地预测它在未来任何时刻的位置和速度，例如，我们可以根据炮弹的发射角度、初速度和重力等因素，准确计算出炮弹的落点 。但在量子世界里，一切都是不确定的，我们只能说电子有一定的概率通过某条狭缝，而不能确定它一定会通过哪条狭缝 。

在电子双缝干涉实验的诡异现象基础上，物理学家们并未停止探索的脚步，而是进一步深入研究，由此诞生了更加令人匪夷所思的惠勒延迟选择实验 。这个实验犹如一颗重磅炸弹，在科学界掀起了惊涛骇浪，对传统的因果律提出了前所未有的挑战 。

20 世纪 70 年代，美国物理学家约翰・阿奇博尔德・惠勒提出了延迟选择实验的构想，并在之后的研究中逐步得到了实验验证 。

实验的基本装置较为复杂，但原理却基于之前的双缝干涉实验。在这个实验中，光源发射出单个光子，光子首先会遇到一个半透镜（也称为半镀银镜），半透镜有 50% 的概率让光子直接透过，还有 50% 的概率将光子反射 。这就好比在一个分岔路口，光子有同等的可能性选择走其中一条路。

在光子透过或被反射后，分别有反射镜将其反射，使两条路径的光子最终在一个交汇点相遇 。在这个交汇点，物理学家们可以通过巧妙的设置来决定是否让光子发生干涉 。如果不放置第二个半透镜，那么通过观察最终光子到达的探测器，就可以确定光子究竟是从哪条路径过来的，此时光子表现出粒子性 。例如，若探测器 A 检测到光子，那就说明光子走的是路径 A；若探测器 B 检测到光子，则表明光子走的是路径 B 。

而当在交汇点放置第二个半透镜时，情况就变得奇妙起来 。通过调整光程差等条件，可以使光子发生自我干涉，就像在双缝干涉实验中那样，形成干涉条纹，这表明光子同时经过了两条路径 。这就如同一个人在分岔路口同时选择了两条路，然后自己与自己在终点相遇并相互作用 。

但真正令人震惊的是 “延迟选择” 这一环节 。理论上，物理学家们可以在光子已经通过第一个半透镜，即将到达交汇点之前，才决定是否放置第二个半透镜 。

按照传统的因果律和我们的日常认知，光子在通过第一个半透镜时就已经 “选择” 了自己的路径，之后的行为应该是确定的 。然而，实验结果却令人大跌眼镜：如果在光子通过第一个半透镜后放置第二个半透镜，光子就会表现出波动性，仿佛它同时通过了两条路径并发生干涉；而如果不放置第二个半透镜，光子就会表现出粒子性，只通过其中一条路径 。

这意味着，人们在光子几乎已经完成整个旅程之后所做出的观测选择，竟然能够影响光子之前的行为路径，结果似乎在改变原因，因果律仿佛被颠覆了 。

这种现象完全违背了我们对因果关系的传统理解。

在日常生活中，我们坚信先有原因，后有结果，过去发生的事情是既定的，无法被现在的行为所改变 。比如，我们今天早上选择吃面包还是鸡蛋，这个选择在做出的那一刻就已经确定，不会因为我们下午的某个决定而改变早上吃了什么 。但惠勒延迟选择实验却表明，在微观的量子世界里，因果律似乎不再适用，未来的观测行为能够影响过去已经发生的事件，这让科学家们对现实世界的本质产生了深深的怀疑和思考 。

来源：宇宙探索