量子观测：从空想到实验 

文 / 小 庄

量子力学从诞生那一天开始，就不停地孕育着和我们的日常生活经验完全无法融合的观念，它用所谓的“测不准原理”“薛定谔猫”来向世人表达现实世界的不确定性，这种不确定性一边搞乱了无数大众的脑子，一边也娱乐了少数怪人。

没错，这些怪人是可敬、可爱、可怕的物理学家。对于他们来说，对物质世界的观测一旦以量子的方式进行，就有机会去颠覆原先的一切常识。嗯，这种事儿是多么值得一干啊！

1801年，英国人托马斯·杨（此人原是个医生，以对眼睛视觉的研究见长）用双缝实验证实了他作为物理学家也毫不含糊的一面：让强烈的单色光照射到开有一个小孔的不透明遮光板上，后面放置有另一块开有两个小孔的相同遮光板，当这束光接连通过两道屏障以后，会在抵达的屏幕上形成一系列明暗干涉条纹。这一结果不仅看起来赏心悦目，而且意义十分重大，它对于当时还被许多人所信奉不疑的光粒子说乃是当头一击。自此，克里斯蒂安·惠更斯早年提出的光波动说终于得到证实，逐渐深入人心。该实验被命名为“杨氏双缝干涉实验”，两百年来，它已成为各国中学物理教材中不可或缺的一个章节。

托马斯·杨当年万万没有想到的事情，除自己有朝一日要被无数中学教师挂在嘴边之外，还有就是得到了一位后辈同行的极力推崇——在二十世纪著名的“物理顽童”理查德·费因曼看来，双缝干涉其实包含了量子论的终极秘密：人们已经发现，即便是一个光子，也能在穿过两块板之后得到干涉图样，似乎是自己和自己发生了干涉；更神奇的是，这个系统虽然既显示出了光作为粒子的性质，又显示出了光作为波的性质，但执着于一探究竟的我们，终究无法做到一件事——在同一时间既得到光作为波的干涉图样，又弄明白作为粒子的光到底是从哪个小孔出来的。他不禁为此感慨道：“仔细地思考双缝实验的意义，我们就能够一点一滴地了解整个量子力学。”

正如费因曼所言，多年来，双缝实验以及它的各种变异版本在诸多理论物理家的把玩下，真正成了检验各种思想实验的大剧场，而且目标直指他们最为迷惑、最为醉心不已的一项高端任务——深入到量子的搞怪国度里进行观测。

一个不能确定的世界该怎么搞定？且看科学家的奇思妙想。

结果能够改变原因吗？

众所周知，在量子国，事物运动的方式十分神秘：一位该国公民，比如电子，可以在进行顺时针方向自旋的同时也进行逆时针方向的自旋，或者同时存在于喜马拉雅山巅和马里亚纳海沟。不过，这种奇怪的模棱两可的运动方式又是非常脆弱的。事实上，此处有条基本原则就是，当任何外人试图去观测它们的行为方式时，那些不确定的“可能性叠加”就会立马消失，回复某种正常状态。这就是为什么薛定谔那只猫可以在没有谁往里头看的时候既是死的又是活的，但一旦盖子被揭起来，就会迫使猫只能是死的或者活的了。

揭盖之前的真相，则无论如何也没法记录或描述。

不怎么待见量子论的爱因斯坦曾借助麦克尔逊-莫雷的光行差实验装置，把双缝实验变成了分光实验，后人更在此基础上发明了马赫－泽德干涉仪。不消说，这东西是一个叫马赫的人和一个叫泽德的人合作发明的，也就是两面镜子加上两面可以镀银的半透镜，然后将光在其中可能经过的两条路径的长度调为相同，它就可以起到和双缝干涉相同的作用了，然后再以光子探测器代替屏幕来呈现最后结果。

1979年，在普林斯顿纪念爱因斯坦诞辰一百周年的专题讨论会上，美国人约翰·惠勒提出了一个著名的“延迟选择思想实验”：在马赫－泽德干涉仪中，将一束光发射到一面半透镜上，一部分透过镜片，而另一部分被反射。接着，两束光将沿着不同路径前进，通过镜子的反射在第二面半透镜上重新合并，这时，第二面半透镜通过调整相位，将使两束光形成干涉。惠勒假设，我们能够发射单个光子，那么在第二面半透镜存在的情况下应该依然能够观察到干涉，这由它的波性所决定；而如果第二面半透镜不存在，则必可通过在两条路径之一上放置的探测仪观察到这个唯一的光子，这由它的粒性所决定。无疑，有没有第二面半透镜，在很大程度上决定了干涉仪中的光子要做“波”还是做“粒”。不过，这个思想实验最厉害之处却是在此基础上加进来的一个奇想：倘若第二面透镜是在光子进入干涉仪之后再放的，亦即我们延迟了向“光子”提问要做“波”还是做“粒”，那么会发生什么？

原则上，这两条路径可以无限长，甚至延伸到宇宙尺度，所以，先让光子走一段路之后再改变实验装置并不违反常理。然而，如此做带来的后果就是颠覆了在现实的逻辑世界被认为是坚不可摧的因果律：观测这一行为能够对先前已经发生的事实产生改变其属性的影响——量子国的荒谬程度由此可见一斑。

当然，在随后的十几年中，物理学家一直试图以实验来检验惠勒的假想，也做了不少漂亮的工作，最成功的当属两位法国人——菲利普·葛朗吉耶和阿兰·阿斯贝。他们早年曾发明了一种获取单个光子的光源，打下了前期基础。2008年，他们选取奥赛光学研究所地下室四十八米长的走廊来完成这个壮举：让一个光子进入干涉仪，八十纳秒后光子走完了二十四米；与此同时，一个可以随机选择出口类型（放不放第二面半透镜）的程序被启动。随机开关由一束白光构成，其变化被转化成电流，如果测量瞬间电流值大于平均值，一个电子信号便会指示实验装置启动第二面半透镜，反之则不会发送任何电子信号。装置反应时间为四十纳秒，因此在半透镜最终被启用之前，光子将继续前进十二米。结果，在出口最后被半透镜关闭的情况下，出现的是完美的干涉现象；而在开启的情况下，探测到了唯一的那个光子。

至此，“延迟选择思想实验”终于从空想变成了铁板钉钉的事实，它背后的不可思议之处，对于我们的认知实在是一个莫大的挑战。

正反物质可以不湮灭吗？

1992年，当时还在牛津大学任职的卢西安·哈迪提出了一个著名的假设：量子体系下，正物质和反物质相遇后的湮灭可以因为没有被观察到而不成立。他在理论论证中假设，我们可以引进两个马赫－泽德干涉仪，其中一个的一条路径和另一个的一条路径将发生叠加，然后将一对反物质—— 一个电子和一个正电子同时分别送入两个观测仪，如果它们通过的是两条叠加路径，则将相遇在一个“湮灭地带”，然后双双消失。但是，既然量子理论预言粒子可以同时既存在于又不存在于叠加路径之中，有可能另一件更奇怪的事情将会发生：粒子和反粒子受到了惊扰，于是没有成功湮灭。

这个看似不违反逻辑却挑战直觉的假设被称为“哈迪佯谬”，它自提出以后的十多年里，一直被认为无法用实验来验证，只能停留在论证阶段，因此毫无意义。嘲笑哈迪的人振振有辞：确定真实世界中的粒子会发生什么情况的唯一方法是检测它的路径，但无论粒子探测器放置在哪一条路径上，标准的量子理论都会说，这个粒子将被惊扰，因此你将无法指出粒子的位置，佯缪于是也就不再成立。

大约在2003年左右，美国得克萨斯A&M大学的阿隆索·波特罗和波士顿大学的杰夫·托拉克森想出了一个哈迪思想实验的修改版，终于可以在实验室中进行演绎了。这个突破的关键在于引进了“弱观测”技术，即通过某种方式，让量子探测器和实验本身的关联微弱，以至于任何测量对探测器指针的影响都微乎其微，如此一来就意味着任何叠加都得到了保留。

事实上，从探测器上读出的指数相当地不准确。举例来说，倘若我们设计了一套刻度来测电子的重量，在一次“弱测量”里面，量子不确定性意味着指针所指位置将一直有个微小的不确定值，这个误差的尺度比电子的重量还要大。由此看来，这个缺陷似乎将使得整个过程变得毫无意义，但别着急，“弱观测”技术的发明者、犹太科学家亚克·阿哈朗诺夫经计算得出，当该测量重复足够多次以后，其平均值将大致接近真实值。

修正版实验中用到的仪器包括一系列探测器，它们分别负责两种“弱观测”中的一种：一些是引力场探测器，用来计算经每一条路径通过的电子或正电子的数目；另一些是“对探测器”，负责记录是否有一个电子和一个正电子同时到达湮灭区（0表示没有，1表示有）。这些微弱但不失准确的结果，只有在两个终端探测器都被触动（即正电子和电子都全身而退）时才会被记录下来。

一切准备停当，物理学家启动了这个实验。他们首先计算每次终端探测器都被触动时通过湮灭区的电子数目，平均值为1，通过的正电子数也是1；而在干涉仪的非叠加路径中，同样的测量得到的结果是0，这意味着两个粒子都到达过湮灭区，但为什么它们不湮灭呢？

更令人迷惑不解的结果其实还在后头呢：一个“对探测器”显示电子和正电子对在湮灭区的数目是0，这就意味着当时在那里“没有它们”。另一个“对探测器”泄露的结果则更奇怪，其一表明一个电子在湮灭区的同时，正电子在非叠加路径中穿行；其二正好相反，正电子在湮灭区，而电子在非叠加路径中。所以，即使是“弱观测”下，悖论仍然存在：电子和正电子在湮灭区中互相影响对方，然而测量显示它们并不是都在那儿……这个结果又好像暗示着有两对粒子同时存在于这个装置中，但正常人都知道这不是真的。

实验收尾阶段，当两位科学家巡视最后一条非叠加路径中的“对探测器”时，下巴都差点掉了下来——那里的读数是-1！鬼魅一般出现的这个“-１”到底意味着什么？目前无人能说出所以然来。但确确实实，哈迪佯谬鬼使神差般地得到了证实，而且这个实验告诉所有人：一个简单的量子粒子可以同时对两个不同地点的物理系统给出可测量的影响，量子理论比我们原先所能想象的要复杂得多。

2008年，日本大阪大学的横田和宏小组以及加拿大多伦多大学的杰夫·伦丁和埃弗瑞姆·斯丁博格小组以偏振光代替正负电子，分别对哈迪佯谬进行了实验室检验，结果再一次证明，这个假想在现实世界是完全成立的。

到底有没有自由意志？

从上面两个例子我们可以看到，给这个世界带来了无穷困扰、也带来了无限可能的，正是量子力学的核心部分：粒子在被观察之前是不具有明确性质的，人永远也无法预言观测的结果，此即客观实在的不确定性或不可测性。这种不可测性为爱因斯坦所深恶痛绝，因为如此一来，我们就必然要去借助“概率”、“概然”之类的词语来解释所有事件，而无法对它们发生与否下断言。爱因斯坦和玻尔之间旷日持久的辩论，其实正是围绕着这一点展开的。

尽管整个二十世纪后半叶的物理学发展以无数事实支持着玻尔的观点，宣告了量子论的大获全胜，但在当代物理学家中，仍然不乏矢志不渝地捍卫爱因斯坦的决定论者，荷兰理论物理学家、1999年诺贝尔物理学奖获得者杰拉德·特·胡夫特便是其中之一。

近年来，特·胡夫特教授一直致力于寻求一个更小的尺度——小于普朗克尺度(10   米)——证明在这个尺度上有确定性存在，这样一来，就可以修合量子力学与相对论的悖谬了。为此，他构建了一个模型，而该模型也果然显示在那个最小尺度上的“态”确实具有确定性，只是这些状态的信息存在的时间非常短暂，很快就被合并到一个“大态”，以至于我们再也无法说出原先的那些“态”是如何出现的，而只能估计它这样或那样的概率，这才导致了量子性的出现。

不过，有两个比较较真的家伙——普林斯顿大学的数学家约翰·坎威和西蒙·科赫不仅不赞同他的说法，还认为此结论非常糟糕，将使我们因一时兴起而在瞬间做出某个不可预测结果的决定的能力受到质疑，如此也就意味着一个超越物理学和数学层面的形而上学命题遭到了否定，那就是自由意志的真实存在。这简直叫人不可容忍。他们马上发表文章，从亚原子观测的例子中推断出确定“态”乃是无稽之谈。

但特·胡夫特本人摆出从容应战的姿态，丝毫不觉得这有什么好大惊小怪的。他说，任何去进行观测的决定都会受到之前环境因素的影响，而观测进行过程中也有足够时间，允许你做出改变测量方式的决定。总而言之，大家放心，自由意志不会彻底地失去，而只是有限度地失去。想象一下，如果你端着一杯咖啡，“我不可能在一瞬间改变要喝下它还是把它扔到房间另一头去的决定，这个决定是根据以往的经验早就确定了的。重要的是，我可以估算一下喝下它（美美地享受一番）或扔掉它（准备洗地毯吧）对我的影响。我们缺乏的只是改变初始条件的自由意志。”

苏黎世量子哲学中心的安东尼·苏亚雷斯也是特·胡夫特反对派中的一员标兵，闻听此言后跳出来反驳说，根本不存在以上辩解中采用的那个时间顺序。2007年，他为证明自己的论点专门设计了一个很有趣的实验，实验引进了两个处于纠缠中的量子光子A和B，经由不同路径到达分裂器，分裂器的作用是可以允许光子从一条长通道或短通道走出。因为这是两个处于纠缠态的光子，它们每一次做出的选择彼此都将保持一致。然后，苏亚雷斯从狭义相对论思想中借来法宝，设置了两个相对远离的探测器（观测者）。

实验开始后，位于第一个分裂器附近的观测者可以看到A先击中分裂器，然后做出自己的选择——到底是从长通道还是短通道逃逸，而后B才做出选择；位于第二个分裂器附近的观测者则得出正好相反的结论。照此说来，倘若特·胡夫特的理论是正确的，亦即存在那个确定的“态”，任何纠缠都将消失，因为两个光子都不可能在“态”出现的瞬间随着同伴的选择来改变自己的决定，既然它们都同时先于又后于对方做出选择——这只取决于你从哪个分裂器附近观察它们。然而实验中却一再地观察到两个光子之间的纠缠，于是苏亚雷斯很得意地说，量子理论同时打败了时间和特·胡夫特。【责任编辑：杨枫】