在真空中進行雙縫干涉實驗，能否觀察到干涉圖像？

眾所周知，波必須在介質中才能傳播，如果在真空中，光是如何表現出它的波動性的？

蟹邀。

先說結論——在真空（氣壓為零）中進行雙縫干涉實驗可以觀察到干涉圖像。

為啥呢？因為雙縫干涉實驗用的干涉源是光。樓主既然知道雙縫干涉實驗的話，這裡就不多解釋這方面的問題了，咱們知道干涉是波的一種特殊性質就行。我看了一下樓主的提問，我覺得這個問題的結點應該在於這兩個地方：

1. 波是不是必須要在介質中才能傳播？

下面來解釋這些問題，可能有的朋友會覺得比較啰嗦。前半部分是高中水平就能完全理解的內容，後面隔開的部分是比較複雜的量子物理解釋，可看可不看哈，如果沒接觸過理論物理沒準越看越糊塗……

先討論第一個問題——波是不是必須要在介質中才能傳播？

好，讓我們先定義一下啥叫「介質」。這裡我們先當介質是實物粒子，一般來說都這麼定義，我猜樓主應該也是這個意思。（不要覺得這是句廢話，有耐心看下去的咱們再討論這個情況之外的問題……！）

換句話說，真空就是沒有任何沒有任何可觀測粒子的空間——例如真空箱內或者宇宙真空。那麼，可以很明確的說，波的傳播不一定需要介質。一般初高中是這麼說，波分兩種——機械波和電磁波。其中，機械波的傳播需要介質，電磁波的傳播不需要介質。雙縫干涉實驗中用的可見光就是一種電磁波，所以在不在真空中和實驗現象並沒有什麼卵關係。

機械波在生活中比較常見啦，水波聲波地震波……這些都是機械波。機械波和電磁波的主要區別在於他們的傳播方式不同。機械波的傳播依靠的是介質質點間的相互作用，前面的質點帶動後面的質點產生位移從而將波傳到遠處。而電磁波是依靠場傳播的，所以不需要實物粒子做介質。

至於電磁波為什麼不需要經典介質就能傳播，這個就是第二點要討論的了——光的波動性到底是啥玩意？

其實說實話，如果樓主對理論物理不感興趣的話，不是很推薦你深究這個問題，解釋起來比較複雜。這裡只能簡單說說一些表面上的東西。一般高中解釋電磁波在空間的傳播，是說這是一種變化的傳播——變化的磁場產生變化的電場，變化的電場又產生變化的磁場……如此反覆使得這種變化到達遠處，這和機械波是一種位置變化的傳播是相似的。（高中的話一般按這個理解就差不多了，看學校怎麼要求）

至於怎麼從理論上解釋光到底是如何表現其波動性的，就要靠量子力學了，這裡依然只能通俗的說一下。如果樓主確實對這個問題感興趣，可以繼續往後看。

————OK，接下來是可能會越看越不懂的內容，我儘力了……————

從量子力學的角度來看，光的波動性其實是不能拿出來單說的。樓主可能聽過一個很著名的理論叫「波粒二象性」。最早波粒二象性的研究就是從光來的。光、輻射這些其實本質上都是電磁波，對光的研究在一些意義上也可以推廣成對整體電磁波的研究。光的波粒二象性說的粗糙一點就是，光既有波的性質，也有粒子的性質。光波是一種概率波，它不是咱們傳統意義上在腦子裡想像的那種彎來彎曲的玩意，從空間位置考慮呢，它表示的其實是光在空間某一點出現的概率。

這麼說可能還是很糊塗……這樣吧，你可以把光想像成一個個特別小的粒子，粒子在真空中運動不需要介質這點可以接受吧？在雙縫干涉里，光被分成兩束後在觀察屏幕上出現干涉條紋，以往我們認為產生干涉條紋的原因是粒子的相互作用，但事實上光、電子這些微觀粒子出現干涉條紋的原因並不是它們彼此的相互作用。

電子的實驗有人做過了，咱們這裡就用這個來解釋微觀粒子的波動性是如何表現的。實驗中可以發現，無論入射電子束多弱，只要曝光的時間足夠長，最終總能得到一樣的干涉圖像。假如咱們將入射電子束減得非常非常弱，以至於每次只有一個電子經過狹縫。初始的時候可以看到是一顆顆的圖像，而不是明顯的條紋，像（a）這樣。然後等過去的電子慢慢的多了之後，漸漸就能看出清晰的干涉條紋了，像b、c、d。顯然這樣單個單個電子發射，電子波彼此之間是沒有互相作用的（也就沒有傳統意義上的干涉）。

那這個干涉是怎麼來的呢？搞清楚了這個問題，就明白光、電子這些波粒二象性表現的特別明顯的量子的波動性到底是怎麼回事了。

註：圖片來自網路

如果按傳統的波的干涉來解釋，波可以同時與狹縫AB作用，但是微粒都沒有相互作用哪來的干涉？？更別說出現一個個的曝光點了，這是粒子性的體現。所以電、光這些都不是經典意義上的波。但如果從純粒子的角度解釋，那這個干涉圖像應該是單存在狹縫A和單存在狹縫B時兩種圖像的幾何疊加。也就是說，先遮住狹縫B讓粒子穿過A得到圖像，再遮住狹縫A讓粒子穿過B 圖像繼續在一張屏幕上得到的圖像，應該和同時打開AB得到的圖像一致。但事實根本不是這樣，先後打開A/B得到的圖像就是兩個正經的單縫衍射圖像，不可能得到雙縫干涉圖像。

這事就很奇怪了。明明單個粒子一次只能穿過一個縫，但顯然另一個縫是否存在對它的影響是很大的。這個就是量子的波動性的表現了。光是典型的量子，它的粒子性和波動性是同時體現的。簡單說，就是本來只存在一個縫的時候，這個量子是只能穿過它，之後的出現概率是按衍射波的形式分布。而存在兩個縫的時候，量子就有通過A或者B兩種可能，這種可能的互相作用使得每個量子在頻幕上出現的概率的分布發生了變化，這個概率是按照波干涉分布的（詳細的計算這裡略過）。這就是光的量子波動性在空間上的表現。

不知道說到這裡樓主明白光的波動性了沒有。另外回到開始說的「介質」定義的問題，其實關於電磁波的傳播到底需不需要介質這個問題，這個其實是有爭議的。主要就看把啥定義為介質，很多時候我們也認為場是一種特殊的物質（老實說我覺得這屬於哲學探討的範圍）。電磁力啊引力啊很多都有這個場的問題，說起來假說就更多了……我個人的看法呢，電磁波的傳播也是需要介質的，只不過這個介質不是一般意義上的物質，宇宙中的真空也不是真正意義上的真空，只是沒有原子電子中子這些我們認為是構成物質基礎的粒子罷了。比如說，這個……「空間」到底算不算物質呢？我們現在一般說電磁波的傳輸不需要介質，是因為目前確實沒有決定性的證據證明它需要，所以我們就說不需要。