雙縫干涉變種實驗構想

楊云

摘? 要：該文由雙縫實驗的邏輯性推理，在幾個著名的雙縫干涉拓展實驗的基礎上，根據粒子波動性存在與否，提出了幾個雙縫干涉實驗的變種實驗。在皮爾·梅利實驗條件下，在粒子喪失波動性實驗的基礎上，提出了恢復粒子波動性的實驗構想，觀察粒子的波粒二象性在空間運行的表現狀態。根據實驗結果，獲取粒子波粒二象性轉化的條件，人為編輯控制粒子的波粒二象特性，獲取控制粒子在空間行進路徑的技術。目前的光刻機受波長影響，工藝在納米級別，根據實驗結果故意破壞刻蝕粒子的波動特性，獲取能改進光刻精度的應用技術。

關鍵詞：粒子源;雙縫干涉;標記

中圖分類號：O43? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 楊氏雙縫干涉實驗變種實驗的困惑

楊氏雙縫干涉實驗是Thomas Young于1807年提出的，并且最早以明確的形式確立了光波疊加原理，第一次用光的波動性解釋了干涉現象[1]。在楊氏雙縫干涉實驗中，光源發出的光通過一條窄縫后，變成一個線光源，線光源照射到2條平行狹縫上，顯示屏上出現衍射產生的明暗相間的條紋，揭示了光的波動性特征，實驗如圖1所示。

當波在傳播的過程中遇到障礙物時，其波陣面的一部分受到阻礙，這時光波繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在屏幕上出現強度不均勻的分布的現象稱為光的衍射。

光的衍射可通過惠更斯—菲涅耳原理來解釋。惠更斯—菲涅耳原理是這樣表述的，在給定時刻，波陣面上的每一個未被阻擋的點起著次級球面子波（頻率與初波相同）波源的作用。障礙物外任一點上光場的振幅是所有這些子波的迭加。從惠更斯—菲涅耳原理出發，我們可以說光的衍射就是當光遇到障礙物時，其波陣面未被阻擋的點作為次波波源發出無窮列頻率相同的波，在障礙物外進行迭加（即相互干涉）而形成所謂的衍射圖樣[2]。

在楊氏雙縫干涉實驗后，根據量子力學描述的粒子具有波動性特征，粒子的波長與粒子的動量成反比。1961年，克勞斯·約恩松在此基礎上，設想利用基本粒子電子作為粒子源取代點光源，也觀察到了相同的干涉圖樣。克勞斯·約恩松進一步驗證，在光源位置放置受控電子源，讓電子一個一個的發射，探測屏上依舊有多條干涉條紋，好像一個電子可以同時穿過2條狹縫一樣，與自己形成干涉，這驗證了基本粒子的波動特性。

1974年，皮爾·梅利在克勞斯·約恩松干涉實驗的基礎上進一步改進實驗。在雙縫的入口安裝了極高清的攝像頭，用來監測電子的運動情況，在將電子一個一個發射的同時，梅利教授通過監視器觀看電子的運動情況，其實驗結果是：原本預想出現在探測器上的相互干涉的條紋消失了，電子如經典粒子描繪的一樣，直線通過雙縫，并且留下了2條平行、對應的亮紋，這驗證了基本粒子運動過程表象的粒子特性。

2 從邏輯上分析雙縫干涉實驗現象

將光子、電子等粒子一個一個通過狹縫，能觀察到干涉圖樣，在狹縫后面裝置探測器，觀察到粒子經由的狹縫路徑信息，不管是什么形式的粒子，干涉圖樣都會完全消失，不再能觀察到干涉圖樣，在顯示屏位置只是顯示2個單縫圖樣。假設裝置探測器來觀察光子到底是從那一條狹縫經過，獲得光子的路徑信息（光子被標記了的路徑信息，不論是否真正讀取這路徑信息），則干涉圖樣會消失。這種標記路徑信息的實驗展現出了粒子性與波動性的互補原理。

帢斯拉夫·布魯克納（Caslav Brukner）與安東·蔡林格精簡地表示如下。

觀察者可以決定是否在光子的路徑上裝置探測器。從決定為是否探測雙縫實驗的路徑，其可以決定哪種性質成為物理實在。如果選擇不裝置探測器，則干涉圖樣會成為物理實在。如果選擇裝置探測器，則路徑信息會成為物理實在[3]。皮爾·梅利實驗如圖2所示。

物理學者馬蘭·史庫理（Marlan Scully）與凱·德魯（Kai Drühl）在1982年最先提出量子擦除實驗，1991年，史庫理、柏投·恩格勒（Berthold Englert）與賀柏·沃爾特（Herbert Walther）給出了實現該實驗的方法。1999年，實現了量子延遲實驗，其實驗結果為：假設測得粒子的路徑信息，則觀察不到干涉圖樣，不管是否攪擾到粒子。但是，假設能夠用某種方法擦除路徑信息，則干涉圖樣又可以被觀察到。

從量子擦除試驗和皮爾·梅利加探測器的實驗結果來看，在邏輯上存在看似矛盾的結果。在圖3量子標記實驗中，如果在顯示屏顯示2條條紋的位置，開2條構成衍射條件的狹縫，使粒子源發出的粒子先經由雙縫S1、S2，再經由原來顯示屏位置開的2條狹縫S3、S4，觀察此時粒子在顯示屏投影的影像。此時粒子相當于經過S1、S2，變成已觀察行徑路徑（路徑標記）的線粒子源，喪失了波動性，按照皮爾·梅利試驗，在S3、S4后端的顯示屏會顯示平行S3、S4的2條條紋。粒子在通過S1、S2狹縫后，投影經過S3、S4后，粒子行進時忽略觀察路徑這一信息，或自然在S3、S4恢復波動性構成衍射條件，構成按照克勞斯·約恩松實驗條件，S3、S4后端顯示屏位置會顯示衍射及干涉圖樣構成的明暗相間條紋，這就存在一個矛盾的實驗結果。

從圖3干涉實驗條件來看，在量子標記干涉實驗中，在粒子經過前雙縫S1，S2時，用觀察器觀察粒子經由雙縫的路徑，根據皮爾·梅利實驗結果：粒子喪失波動性，表現粒子性，在原來顯示屏位置開2條狹縫，后面增加顯示屏，該實驗模擬在粒子經由狹縫路徑時，觀察這一行為使粒子獲得標記經由狹縫路徑信息的狀態，粒子獲取經過雙縫路徑后，整個空間路徑的行進特征，根據皮爾·梅利實驗結果推測，粒子將失去波動性，直線通過S3、S4雙縫，并且留下了2條平行、對應的亮紋，如圖3推測的實驗結果所示。

在圖3實驗的基礎上，衍生出圖4的量子標記recover干涉實驗。帶電粒子如電子通過前雙縫S1、S2（標記經由的路徑信息），再通過電場對粒子加速，模擬克勞斯·約恩松實驗中對單個粒子進行發射加速的動作，在電場不改變粒子行進方向的情況下，模擬粒子源發射單個粒子，通過衍射狹縫的情況，整合到狹縫S3、S4所在的裝置中。那么根據克勞斯·約恩松實驗結果，粒子將表現波動性，在顯示屏上會顯示干涉圖樣，如圖4推測的實驗結果所示。

3 雙縫及其變種干涉實驗粒子波動性特征

在圖3量子標記干涉實驗、圖4量子標記recover這2個實驗中，提出主觀破壞粒子波動性，觀察粒子在空間行進路徑的波利二相性的表現形式，以及粒子波動性恢復的實驗構想，這是一個需要驗證的實驗結果。

從邏輯結果來看，0和1的結果都可能出現，在該實驗的基礎上，可以通過調整顯示屏、2片狹縫的位置、延伸狹縫片數量或者加入電磁場的方式，觀察粒子加入探測器獲取標注狀態，以及電磁場等因素去除粒子標記狀態的2種狀態變換，研究粒子在空間行徑路徑下粒子的波粒二象性轉換形式。

在單縫干涉的一系列實驗中，雙縫其實驗及其變種實驗的邏輯結果見表1，其中粒子性為1，波動性為0。

4 結論

該文在皮爾·梅利實驗的基礎上，通過在顯示屏顯示圖像的位置開孔及增加電磁場的拓展實驗，進一步驗證了粒子的波利二相的表現特性，掌握了粒子波動性存在、消失及恢復的條件。邏輯上驗證了路徑狀態與粒子波動性的關系，獲取了粒子可編輯的路徑信息，有意破壞粒子的波動特性，用電磁場對粒子運動軌跡進行加工，掌握了粒子在特定條件空間的運行軌跡，掌握了喪失波動性的粒子行徑路徑的技術。

該文提出的變種實驗故意破壞粒子的波動性，在掌控粒子行徑路徑技術的基礎上，能做到對粒子的搬運加工，目前光刻機受限于光源的波長特征尺寸，工藝在納米級別。電磁場的控制下，設計破壞粒子的波動特性，做到對粒子路徑的掌控，理論上是可以做到在基本粒子級別上加工制造基礎邏輯電路的技術。

參考文獻

[1]姚啟鈞.光學教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]趙曉春.光的單縫衍射與光的雙縫干涉的本質初探[J].物理教師，2013，34（2）：58-63.

[3]Greene Brian.The Elegant Universe： Superstrings，Hidden Dimensions，and the Quest for the Ultimate Theory[M].New York City：W.W.Norton & Company，1999.