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著名的雙縫實(shí)驗(yàn)

圖1

通過雙縫實(shí)驗(yàn)，我們知道微觀粒子在實(shí)驗(yàn)的兩端更加類粒，在中間卻表現(xiàn)出波動(dòng)性。微觀粒子這種既有粒子性又有波動(dòng)性的性質(zhì)，被科學(xué)家稱作波粒二象性。美國(guó)物理學(xué)家惠勒將這種量子力學(xué)中最本質(zhì)的不確定性比作“煙霧纏繞的巨龍”：人們可以看到巨龍的頭，它是粒子產(chǎn)生的源頭;也可以看到巨龍的尾巴，它是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果。巨龍的頭和尾巴都是確定的、清晰的，但是巨龍的身體卻是一團(tuán)迷霧，沒有人可以說清。

延遲選擇實(shí)驗(yàn) 具象展示微觀粒子波動(dòng)性

為了具象地展示這種物理概念，1979年在為紀(jì)念愛因斯坦誕辰100周年而召開的一次專題討論會(huì)上，惠勒正式提出了“延遲實(shí)驗(yàn)”的構(gòu)想：當(dāng)光子已經(jīng)通過左下角的半透鏡之后再?zèng)Q定是否放上右上角的半透鏡(實(shí)驗(yàn)裝置如圖1)。

在延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用左下角的半透鏡(涂著半鍍銀的反射鏡)來代替雙縫，并且把該半透鏡與光子的入射路徑擺成45度角，那么，光子就有一半可能直接通過半透鏡，一半可能被反射成90度角，這是一個(gè)量子隨機(jī)過程，跟它選擇雙縫中的左縫和右縫本質(zhì)上是一樣的。同時(shí)，在左上角和右下角分別放置一個(gè)全反射鏡，這樣就可以把這兩條分開的岔路再交匯到一起。此外，還需要在路徑1和路徑2的終點(diǎn)處裝上探測(cè)器，用來確定光子究竟是沿著哪條路徑過來的。

如果每次實(shí)驗(yàn)只發(fā)射一個(gè)光子，連續(xù)發(fā)射半小時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)每次實(shí)驗(yàn)都只有一個(gè)探測(cè)器觀測(cè)到光子，光子通過路徑1和路徑2的可能性各是50%。哥本哈根詮釋認(rèn)為，這說明單個(gè)光子每次只選擇一條路徑通過，從而達(dá)到對(duì)應(yīng)的探測(cè)器。

但是，如果我們?cè)诼窂?和路徑2右上角的交匯處放上一塊呈45度角的半透鏡，神奇的事情就發(fā)生了，探測(cè)器中出現(xiàn)了干涉條紋，單光子出現(xiàn)了自我干涉。哥本哈根詮釋認(rèn)為，光子肯定同時(shí)通過了路徑1和路徑2。

光子似乎是個(gè)精靈，它可以知道我們是否在交匯處放置了半透鏡，從而決定是從一條路徑走(開放式，沒有在終點(diǎn)放置半透鏡)，還是同時(shí)從兩條路徑走(封閉式，在終點(diǎn)放置半透鏡)。

然而，如果我們延遲決定是否在路徑1和路徑2右上角的交匯處放置半透鏡，那么光子會(huì)選擇走一條路徑，還是同時(shí)走兩條路徑呢?由此，惠勒就設(shè)計(jì)了著名的延遲選擇實(shí)驗(yàn)，即，等光子通過了左下角的半透鏡以后，還未到達(dá)右上角前，再選擇是否在交匯處放置半透鏡。而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和沒有延遲選擇是一樣的，也出現(xiàn)了干涉。

我們知道，如果光子已經(jīng)選擇了走一條路徑，那么在右上角的交匯處放置半透鏡不會(huì)發(fā)生干涉。那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果就給出了一個(gè)神秘奇特的解釋：后發(fā)生的事情(是否在交匯處放置半透鏡)能夠改變先發(fā)生的事件(到底是選擇走一條路徑還是選擇同時(shí)走兩條路徑)。觀察者現(xiàn)在的行為決定了光子過去的路線。這就意味著我們可以在事情發(fā)生后再來決定它應(yīng)該怎樣發(fā)生。

最新詮釋 打破傳統(tǒng)認(rèn)知的“微觀實(shí)體”論

但是，清華大學(xué)龍桂魯教授并不認(rèn)同哥本哈根詮釋對(duì)延遲選擇實(shí)驗(yàn)的解釋，他不認(rèn)同現(xiàn)在的觀測(cè)會(huì)影響過去的決定。他認(rèn)為，不管后來是否在終點(diǎn)放置半透鏡，光子都是選擇同時(shí)走兩條路徑，即波函數(shù)分裂成了兩個(gè)子波函數(shù)，同時(shí)沿著兩條路徑向終點(diǎn)“游去”。

龍桂魯教授巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)相遇延遲選擇實(shí)驗(yàn)。“在相遇延遲選擇實(shí)驗(yàn)中，一束光經(jīng)過左下角的50:50分束器(相當(dāng)于半透鏡)以后，它就會(huì)像一條大蛇一樣分成兩條小蛇，分別在路徑1和路徑2通過，兩條路徑的光在右上角相遇后，一束會(huì)往上走，到達(dá)上面的探測(cè)器，一束會(huì)往右走，到達(dá)右邊的探測(cè)器。當(dāng)兩束光在右上角相遇，并且有一半已經(jīng)通過干涉儀時(shí)，我們放上50∶50分束器，將兩束子波函數(shù)齊腰截?cái)啵藭r(shí)我們發(fā)現(xiàn)，插入前已經(jīng)通過的那1/2的光有1/4到達(dá)上面的探測(cè)器，1/4到達(dá)右邊的探測(cè)器。余下的1/2，由于放置了分束器，它就發(fā)生了干涉，這些光就會(huì)全部到達(dá)右邊的探測(cè)器?？偟募悠饋砭褪巧厦娴奶綔y(cè)器觀測(cè)到了1/4的光，右邊的探測(cè)器觀測(cè)到了3/4的光。這也就說明了波函數(shù)是微觀系統(tǒng)的實(shí)在圖像。”龍桂魯說道。對(duì)于這一現(xiàn)象，如果采用哥本哈根理論，就很難解釋了。

龍桂魯根據(jù)他自己提出的波函數(shù)實(shí)在，詮釋設(shè)計(jì)了上述的相遇延遲選擇實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為，描述微觀物體狀態(tài)的波函數(shù)就是微觀物體的真實(shí)存在, 而不僅僅是一種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)描述手段, 也就是說, 微觀物體以波函數(shù)的形式彌散在空間中。

“波函數(shù)是實(shí)在的東西，它就像一片甚至是幾片云，不僅有大小，而且有相位，它們還會(huì)變化，彌散在空間。在雙狹縫實(shí)驗(yàn)中，波函數(shù)有一部分通過左縫，一部分通過右縫。很難理解一個(gè)小球同時(shí)在左狹縫和右狹縫，而波函數(shù)的‘云’分成兩部分，分別通過左、右狹縫就很自然，也非常容易理解了。更重要的是，不會(huì)有后發(fā)生的事情影響以前已經(jīng)發(fā)生的事情這種非常不自然的現(xiàn)象了。這也解釋了延遲實(shí)驗(yàn)中為什么光子同時(shí)通過兩條路徑，也解釋了為什么會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。”龍桂魯說。

當(dāng)兩路子波函數(shù)相遇時(shí)，由相干性引起的相遇后的波函數(shù)干涉相長(zhǎng)和相消，使得微觀系統(tǒng)的“云”在空間中的分布形狀發(fā)生變化, 從而使得微觀物體能夠表現(xiàn)出波動(dòng)性和干涉。當(dāng)測(cè)量發(fā)生時(shí), 根據(jù)量子力學(xué)中的波函數(shù)塌縮假設(shè), 彌散在空間中的微觀物體會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的塌縮, 此時(shí)微觀物體表現(xiàn)出粒子性。這種詮釋不僅能夠像傳統(tǒng)的哥本哈根詮釋一樣可以描述物理現(xiàn)象, 而且很好地刻畫了微觀物體在空間中的實(shí)際存在形式, 以及測(cè)量或其他操作對(duì)這種存在形式的影響。

二元狀態(tài) 應(yīng)用高歌猛進(jìn)，理論眾說紛紜

波函數(shù)到底是什么，一直是量子力學(xué)中的一個(gè)基本問題。百年來，波函數(shù)的本質(zhì)問題就像是迷霧一般彌散在人們眼前，阻礙了對(duì)神秘量子世界的清晰認(rèn)識(shí)。據(jù)波函數(shù)理論衍生出來的諸如激光、半導(dǎo)體和核能等高新技術(shù)，深刻地變革了人類社會(huì)的生活方式。作為量子力學(xué)核心觀念的波函數(shù)在實(shí)際中的意義如何，一直以來人們都眾說紛紜，并無共識(shí)。中國(guó)科學(xué)院院士孫昌璞曾表示，直到今天，量子力學(xué)發(fā)展還是處在一種令人尷尬的二元狀態(tài)：在應(yīng)用方面一路高歌猛進(jìn)，在基礎(chǔ)概念方面卻莫衷一是。

龍桂魯認(rèn)為，這項(xiàng)研究提出的波函數(shù)實(shí)在詮釋, 將波函數(shù)看作是微觀物體的真實(shí)存在, 而不再是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)描述, 打破了人們對(duì)波函數(shù)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí), 對(duì)幫助人們深刻理解量子規(guī)律, 進(jìn)一步探索微觀世界都具有重要意義。