双缝实验是一种展示光子或电子等微观物体的波动性与粒子性的实验，最早由托马斯·杨（Thomas Young）提出，用来研究光的波动性：在一束相干光通过紧密排列的两条狭缝后，屏幕上会出现明暗相间的干涉条纹，这种现象表明光具有波动性；而在量子层面，当单个粒子（如电子、光子）逐个通过双缝时，累积的结果仍然显示出干涉图样，揭示了微观粒子同时具备波粒二象性。

双缝实验是量子力学中一类基础且极具思想启发性的实验。其定义是：一类基本单元（如光子、电子等）同时表现出经典波动性和经典粒子性的实验。实验证明，即使是单个量子粒子，在未被观测其路径时，其行为也如同一个波，能够同时穿过两个空间上分离的路径并与自身发生干涉。这一现象不仅是量子理论的实验基石，更是其诸多反直觉特性的最直接、最纯粹的体现，迫使物理学界彻底颠覆了对现实世界的经典图景。理查德·费曼（Richard Feynman）曾断言，双缝实验“蕴含了量子力学的核心”，并且“实际上，它包含了量子力学中唯一的奥秘”。

双缝实验的实验设备有：光源/粒子源、不透明挡板（中间有两条狭窄且平行的狭缝）、探测屏（用于记录粒子到达的位置，从而显示出图案）。实验经过了三次演化，每一次都发展出了新的理论思想。

这个实验主要用于演示光的波动干涉，步骤如下：

然而实际结果显示探测屏上并未出现两条光斑，而是出现了由一系列明暗相间的条纹组成的干涉图案。这是波特有的现象，当两列波源于双缝并发生叠加时，它们会相互加强（形成亮条纹）或相互抵消（形成暗条纹）。这个结果强有力地证明了光具有波动性。

这个实验是双缝实验中最令人费解的部分，它将实验对象从一束光改为一次只发射一个微观粒子（例如，一个光子或一个电子）。步骤如下：

实验悖论：

从经典的观点来看，一个粒子要么通过左边的狭缝，要么通过右边的狭缝，它不可能同时穿过两条狭缝。然而，干涉图案的形成需要粒子“知道”两条狭缝的存在，并与自身发生干涉，仿佛它同时以波的形式穿过了两条狭缝。这表明，在未被观测时，单个粒子同时处于“穿过左缝”和“穿过右缝”的量子叠加态。

这个实验探讨了观测行为本身对量子系统的影响。实验步骤如下：

令人震惊的是，一旦我们开始测量粒子所经过的路径，干涉图案就立刻消失了。探测屏上出现了两条明亮的带状光斑，并没有条纹状的干涉图案。这说明，粒子在被“观测”后，其行为从波态“坍缩”为粒子态，不再与自身发生干涉。

双缝实验通过这三个阶段的演变，揭示了量子世界的三个基本特性：波粒二象性、量子叠加态和观测者效应。

波粒二象性（Wave-Particle Duality）是双缝实验所揭示的中心概念。这一概念指出，所有物质和能量的基本构成单元都同时具备波和粒子两种属性。然而，不能说一个量子实体“时而是波，时而是粒子”，因为该实体本质上是一种全新的存在，是一种更高层次的统一性特征，是量子世界不可约的基本属性，我们的经典词汇“波”和“粒子”都只是对其在特定实验情境下所展现出的行为特征的不完整描述和类比，双缝实验清晰地表明，是实验装置的整体布局决定了量子实体的哪一种属性变得显性。当我们不对其路径进行任何形式的探测时，其波动性主导，产生干涉；而一旦我们试图确定其路径，其粒子性便凸显出来，干涉随之消失。

量子叠加（Quantum Superposition）是解释单个粒子如何能展现出波状自干涉行为的理论核心，其指出一个量子系统可以同时处于多个相互排斥的可能状态的线性组合之中。以双缝实验为例，当一个粒子（如电子）飞向双缝屏障时，它的状态不再是“穿过左缝”或“穿过右缝”中的某一个确定选项，它的状态是“既穿过左缝又穿过右缝”的叠加态。这是对其真实物理状态的精确描述。这种叠加状态是干涉图样产生的直接原因，正是因为粒子的状态包含了两种路径的可能性，这两条“概率路径”才能像水波一样相互干涉，从而在某些区域增强（形成亮纹），在另一些区域抵消（形成暗纹）。因此，双缝实验中单个粒子形成的干涉图样，可以被视为量子叠加原理的宏观视觉呈现。

以光波动说来解释光的干涉，光波的两个波前同时地从两个狭缝以同心圆图案传播出去。在探测屏的任意位置，两个光波的叠加，决定了那位置被观测到的强度。在探测屏上观察到的明亮的条纹，是由两个光波的相长干涉造成的，当一个波峰遇到另外一个波峰时，会产生相长干涉。暗淡的条纹是由光波的相消干涉造成的，当一个波峰遇到另外一个波谷时，会产生相消干涉。

以光微粒说来解释，光子的量子行为可以用概率波来描述，概率波的两个波前同时地从两个狭缝以同心圆图案传播出去。两个概率波的叠加，决定了光子会移动到探测屏该位置的概率密度。两个概率波的概率幅相加后，取绝对值平方，就是在那位置找到光子的概率密度。累积一定量的光子后，可以在探测屏观察到一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。

双缝实验的起源可以追溯到19世纪初。当时，关于光的本质存在两大阵营的激烈辩论：一方是以牛顿为代表的“微粒说”，认为光是由微小的粒子流组成；另一方则是以惠更斯为代表的“波动说”。英国物理学家、医生托马斯·杨（Thomas Young）在1801年至1807年间进行了一系列实验，旨在终结这场争论。

杨首先让阳光通过一个针孔，形成一个相干的点光源。然后，这个点光源发出的光再照射到一块开有两条平行狭缝的纸板上。在纸板后方的屏幕上，他观察到了一系列明暗交替的彩色条纹。杨指出，假若光束是以粒子的形式从光源移动至探测屏，抵达探测屏任意位置的粒子数目，应该等于之前通过左狭缝的粒子数量与之前通过右狭缝的粒子数量的总和，根据定域性原理（principleof locality），关闭左狭缝不应该影响粒子通过右狭缝的行为，反之亦然，因此，在探测屏的任意位置，两条狭缝都不关闭的辐照度应该等于只关闭左狭缝后的辐照度与只关闭右狭缝后的辐照度的总和。但是，当两条狭缝都不关闭时，结果并不是这样，探测屏的某些区域会比较明亮，某些区域会比较暗淡，这种干涉条纹是波特有的现象，是来自两条狭缝的光波叠加的结果。

杨的实验被视为光的波动理论的决定性证据，它有力地击败了牛顿的微粒说，并在接下来的近一个世纪里，将光的波动性牢固地确立为物理学界的共识。在这个历史阶段，双缝实验确认了一个经典物理的世界观：光就是一种波。

1905年，爱因斯坦在解释光电效应时，大胆提出光在与物质相互作用时表现为一份一份的能量子，光束是由一群离散的能量粒子组成，称为光量子，即“光子”（photon），而不是连续性波动，从而说明了光的粒子性。

1924年，法国物理学家路易·德布罗意提出，不仅光，所有物质都具有波粒二象性，即所谓的“物质波”。德布罗意的假说很快得到了实验验证。1927年，美国的克林顿·戴维孙（Clinton Davisson）和雷斯特·革末（LesterGermer），以及英国的乔治·佩吉特·汤姆孙（George Paget Thomson）各自独立地通过实验观察到了电子束被晶体衍射的现象，其行为与X射线（一种电磁波）的衍射如出一辙。这无可辩驳地证明了电子也具有波动性。

在这些革命性发现的背景下，双缝实验的意义被彻底重塑。它不再是一个简单的光的波动性演示。理论上，如果电子也具有波动性，那么它也应该能在双缝实验中产生干涉。双缝实验从一个经典物理的终点，一跃成为量子力学最核心、最令人费解的悖论的完美展示场。它不再提供答案，而是提出了一个深刻的问题：一个东西如何能同时既是粒子又是波？

随着量子理论的发展，物理学家们开始思考一个更深层次的问题：干涉是由大量粒子相互作用产生的，还是单个粒子固有的属性？理查德·费曼在其著名的《费曼物理学讲义》（1965年）中提出，即使我们将电子发射强度降低到“一次一个”，干涉条纹也终将出现，这意味着每个电子都必须与自身发生干涉。

费曼的思想实验并非空想，它引领了一系列关键的实验验证：

克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）：1961年，德国物理学家约恩松在蒂宾根大学首次用电子束成功地进行了多缝干涉实验，清晰地展示了电子的波动性。尽管这还不是严格意义上的单电子实验，但它是将双缝实验从光子推广到其他粒子的关键一步。

波齐、梅尔利与米西罗利：1974年，意大利博洛尼亚大学的皮耶尔·乔治·梅尔利（Pier Giorgio Merli）、吉安·佛朗哥·米西罗利（Gian Franco Missiroli）和朱利奥·波齐（Giulio Pozzi）团队首次实现了真正意义上的单电子双缝实验。他们使用电子双棱镜（功能等同于双缝）和极低强度的电子源，成功地在探测屏上记录到了干涉条纹由单个电子的点状撞击逐渐累积形成的全过程。这部记录了量子世界“眼见为实”的影片，因其深刻的美学和物理学意义，在2002年被《物理世界》杂志的读者评为“史上最美丽的物理实验”。

哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation），或译哥本哈根解释，是量子力学的一种诠释。这一理论认为，在量子力学里，量子系统的量子态可以用波函数来描述。在双缝实验里，除了光子的发射时间与抵达探测屏时间以外，光子的位置都无法被确定；为了要确定光子的位置，必须以某种方式探测它；可是，一旦探测到光子的位置，光子的量子态也会被改变，干涉图样也因此会被影响；所以，在发射时间与抵达探测屏时间之间，光子的位置完全不能被确定。这是量子力学的一个关键点，波函数是数学函数，专门用来计算粒子在某位置或处于某种运动状态的概率，测量的动作造成了波函数坍缩，原本的量子态有概率地坍缩成一个测量所允许的量子态。

路径积分表述是理查德·费曼提出的一个理论（费曼强调这个表述只是一种数学描述，而并不是尝试描述某些无法观察到的真实程序）。路径积分表述不采用粒子的单独唯一运动轨道这种经典概念，取而代之的是所有可能轨道的总和。使用泛函积分，可以计算出所有可能轨道的总和。

路径积分表述阐明，假设一个光子要从发射点a移动至探测屏的位置点b，它会试着选择经过所有的可能路径，包括选择同时经过两条狭缝的路径；可是，假若用探测器来观察光子会经过两条狭缝中的那一条狭缝，整个实验设置立刻有所改变；假设探测器的位置为点c，而探测器观察到光子，则新的路径是从点c到点b；这样，在点c与点b之间，只有空旷的空间，并没有两条狭缝，所以不会出现干涉图样。

双缝实验不仅仅是物理学史上一个经典的实验，更是一个深刻揭示了微观世界反直觉本质、并由此引发物理学与哲学思想重大变革的核心思想实验。它以一种近乎完美的形式，直观地展示了量子力学的几大核心特性：波粒二象性、量子叠加原理、观测的决定性作用，并为整个理论体系的建立提供了最坚实的实验基础。

双缝实验的结果也对人类沿袭数百年的经典世界观构成了根本性的挑战，在哲学层面引发了对现实、客观性和知识边界的深刻反思。首先，它颠覆了“客观定域实在论”，即认为物体属性独立于观测而客观存在的观点。实验表明，一个微观粒子在被测量之前，似乎并不存在一条“确定”的路径，其状态由包含所有可能性的波函数描述，现实是从多种可能性中“选择”的结果，这从根本上动摇了经典物理关于世界客观性的基石。

其次，实验重新定义了观察者与现实的关系。在量子世界，观察者不再是被动的记录者，其“观测”行为本身就是决定现实最终样貌的关键一环 ，这种“观测者效应”模糊了主观与客观的传统界限。实验揭示了宇宙底层规律的概率性本质，挑战了经典物理严格的因果决定论，迫使我们不得不重新思考现实的构成以及我们认识它的方式。