双缝干涉变种实验构想

杨云

摘  要：该文由双缝实验的逻辑性推理，在几个著名的双缝干涉拓展实验的基础上，根据粒子波动性存在与否，提出了几个双缝干涉实验的变种实验。在皮尔·梅利实验条件下，在粒子丧失波动性实验的基础上，提出了恢复粒子波动性的实验构想，观察粒子的波粒二象性在空间运行的表现状态。根据实验结果，获取粒子波粒二象性转化的条件，人为编辑控制粒子的波粒二象特性，获取控制粒子在空间行进路径的技术。目前的光刻机受波长影响，工艺在纳米级别，根据实验结果故意破坏刻蚀粒子的波动特性，获取能改进光刻精度的应用技术。

关键词：粒子源;双缝干涉;标记

中图分类号：O43          文獻标志码：A

1 杨氏双缝干涉实验变种实验的困惑

杨氏双缝干涉实验是Thomas Young于1807年提出的，并且最早以明确的形式确立了光波叠加原理，第一次用光的波动性解释了干涉现象[1]。在杨氏双缝干涉实验中，光源发出的光通过一条窄缝后，变成一个线光源，线光源照射到2条平行狭缝上，显示屏上出现衍射产生的明暗相间的条纹，揭示了光的波动性特征，实验如图1所示。

当波在传播的过程中遇到障碍物时，其波阵面的一部分受到阻碍，这时光波绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现强度不均匀的分布的现象称为光的衍射。

光的衍射可通过惠更斯—菲涅耳原理来解释。惠更斯—菲涅耳原理是这样表述的，在给定时刻，波阵面上的每一个未被阻挡的点起着次级球面子波（频率与初波相同）波源的作用。障碍物外任一点上光场的振幅是所有这些子波的迭加。从惠更斯—菲涅耳原理出发，我们可以说光的衍射就是当光遇到障碍物时，其波阵面未被阻挡的点作为次波波源发出无穷列频率相同的波，在障碍物外进行迭加（即相互干涉）而形成所谓的衍射图样[2]。

在杨氏双缝干涉实验后，根据量子力学描述的粒子具有波动性特征，粒子的波长与粒子的动量成反比。1961年，克劳斯·约恩松在此基础上，设想利用基本粒子电子作为粒子源取代点光源，也观察到了相同的干涉图样。克劳斯·约恩松进一步验证，在光源位置放置受控电子源，让电子一个一个的发射，探测屏上依旧有多条干涉条纹，好像一个电子可以同时穿过2条狭缝一样，与自己形成干涉，这验证了基本粒子的波动特性。

1974年，皮尔·梅利在克劳斯·约恩松干涉实验的基础上进一步改进实验。在双缝的入口安装了极高清的摄像头，用来监测电子的运动情况，在将电子一个一个发射的同时，梅利教授通过监视器观看电子的运动情况，其实验结果是：原本预想出现在探测器上的相互干涉的条纹消失了，电子如经典粒子描绘的一样，直线通过双缝，并且留下了2条平行、对应的亮纹，这验证了基本粒子运动过程表象的粒子特性。

2 从逻辑上分析双缝干涉实验现象

将光子、电子等粒子一个一个通过狭缝，能观察到干涉图样，在狭缝后面装置探测器，观察到粒子经由的狭缝路径信息，不管是什么形式的粒子，干涉图样都会完全消失，不再能观察到干涉图样，在显示屏位置只是显示2个单缝图样。假设装置探测器来观察光子到底是从那一条狭缝经过，获得光子的路径信息（光子被标记了的路径信息，不论是否真正读取这路径信息），则干涉图样会消失。这种标记路径信息的实验展现出了粒子性与波动性的互补原理。

帢斯拉夫·布鲁克纳（Caslav Brukner）与安东·蔡林格精简地表示如下。

观察者可以决定是否在光子的路径上装置探测器。从决定为是否探测双缝实验的路径，其可以决定哪种性质成为物理实在。如果选择不装置探测器，则干涉图样会成为物理实在。如果选择装置探测器，则路径信息会成为物理实在[3]。皮尔·梅利实验如图2所示。

物理学者马兰·史库理（Marlan Scully）与凯·德鲁（Kai Drühl）在1982年最先提出量子擦除实验，1991年，史库理、柏投·恩格勒（Berthold Englert）与贺柏·沃尔特（Herbert Walther）给出了实现该实验的方法。1999年，实现了量子延迟实验，其实验结果为：假设测得粒子的路径信息，则观察不到干涉图样，不管是否搅扰到粒子。但是，假设能够用某种方法擦除路径信息，则干涉图样又可以被观察到。

从量子擦除试验和皮尔·梅利加探测器的实验结果来看，在逻辑上存在看似矛盾的结果。在图3量子标记实验中，如果在显示屏显示2条条纹的位置，开2条构成衍射条件的狭缝，使粒子源发出的粒子先经由双缝S1、S2，再经由原来显示屏位置开的2条狭缝S3、S4，观察此时粒子在显示屏投影的影像。此时粒子相当于经过S1、S2，变成已观察行径路径（路径标记）的线粒子源，丧失了波动性，按照皮尔·梅利试验，在S3、S4后端的显示屏会显示平行S3、S4的2条条纹。粒子在通过S1、S2狭缝后，投影经过S3、S4后，粒子行进时忽略观察路径这一信息，或自然在S3、S4恢复波动性构成衍射条件，构成按照克劳斯·约恩松实验条件，S3、S4后端显示屏位置会显示衍射及干涉图样构成的明暗相间条纹，这就存在一个矛盾的实验结果。

从图3干涉实验条件来看，在量子标记干涉实验中，在粒子经过前双缝S1，S2时，用观察器观察粒子经由双缝的路径，根据皮尔·梅利实验结果：粒子丧失波动性，表现粒子性，在原来显示屏位置开2条狭缝，后面增加显示屏，该实验模拟在粒子经由狭缝路径时，观察这一行为使粒子获得标记经由狭缝路径信息的状态，粒子获取经过双缝路径后，整个空间路径的行进特征，根据皮尔·梅利实验结果推测，粒子将失去波动性，直线通过S3、S4双缝，并且留下了2条平行、对应的亮纹，如图3推测的实验结果所示。

在图3实验的基础上，衍生出图4的量子标记recover干涉实验。带电粒子如电子通过前双缝S1、S2（标记经由的路径信息），再通过电场对粒子加速，模拟克劳斯·约恩松实验中对单个粒子进行发射加速的动作，在电场不改变粒子行进方向的情况下，模拟粒子源发射单个粒子，通过衍射狭缝的情况，整合到狭缝S3、S4所在的装置中。那么根据克劳斯·约恩松实验结果，粒子将表现波动性，在显示屏上会显示干涉图样，如图4推测的实验结果所示。

3 双缝及其变种干涉实验粒子波动性特征

在图3量子标记干涉实验、图4量子标记recover这2个实验中，提出主观破坏粒子波动性，观察粒子在空间行进路径的波利二相性的表现形式，以及粒子波动性恢复的实验构想，这是一个需要验证的实验结果。

从逻辑结果来看，0和1的结果都可能出现，在该实验的基础上，可以通过调整显示屏、2片狭缝的位置、延伸狭缝片数量或者加入电磁场的方式，观察粒子加入探测器获取标注状态，以及电磁场等因素去除粒子标记状态的2种状态变换，研究粒子在空间行径路径下粒子的波粒二象性转换形式。

在单缝干涉的一系列实验中，双缝其实验及其变种实验的逻辑结果见表1，其中粒子性为1，波动性为0。

4 结论

该文在皮尔·梅利实验的基础上，通过在显示屏显示图像的位置开孔及增加电磁场的拓展实验，进一步验证了粒子的波利二相的表现特性，掌握了粒子波动性存在、消失及恢复的条件。逻辑上验证了路径状态与粒子波动性的关系，获取了粒子可编辑的路径信息，有意破坏粒子的波动特性，用电磁场对粒子运动轨迹进行加工，掌握了粒子在特定条件空间的运行轨迹，掌握了丧失波动性的粒子行径路径的技术。

该文提出的变种实验故意破坏粒子的波动性，在掌控粒子行径路径技术的基础上，能做到对粒子的搬运加工，目前光刻机受限于光源的波长特征尺寸，工艺在纳米级别。电磁场的控制下，设计破坏粒子的波动特性，做到对粒子路径的掌控，理论上是可以做到在基本粒子级别上加工制造基础逻辑电路的技术。

参考文献

[1]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]赵晓春.光的单缝衍射与光的双缝干涉的本质初探[J].物理教师，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.