著名的雙縫實驗

　　圖1

　　通過雙縫實驗,，我們知道微觀粒子在實驗的兩端更加類粒,，在中間卻表現(xiàn)出波動性。微觀粒子這種既有粒子性又有波動性的性質(zhì),，被科學(xué)家稱作波粒二象性,。美國物理學(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,，它是實驗觀測的結(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迷霧,，沒有人可以說清。

　　延遲選擇實驗 具象展示微觀粒子波動性

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

　　在延遲選擇實驗中,，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，這是一個量子隨機過程,，跟它選擇雙縫中的左縫和右縫本質(zhì)上是一樣的,。同時，在左上角和右下角分別放置一個全反射鏡,，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的終點處裝上探測器,，用來確定光子究竟是沿著哪條路徑過來的,。

　　如果每次實驗只發(fā)射一個光子，連續(xù)發(fā)射半小時,，我們發(fā)現(xiàn)每次實驗都只有一個探測器觀測到光子,，光子通過路徑1和路徑2的可能性各是50%。哥本哈根詮釋認為,，這說明單個光子每次只選擇一條路徑通過，從而達到對應(yīng)的探測器,。

　　但是,，如果我們在路徑1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,。哥本哈根詮釋認為,，光子肯定同時通過了路徑1和路徑2,。

　　光子似乎是個精靈,，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,，沒有在終點放置半透鏡）,，還是同時從兩條路徑走（封閉式,，在終點放置半透鏡）。

　　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,，那么光子會選擇走一條路徑,，還是同時走兩條路徑呢？由此,，惠勒就設(shè)計了著名的延遲選擇實驗，即,，等光子通過了左下角的半透鏡以后，還未到達右上角前,，再選擇是否在交匯處放置半透鏡。而實驗的結(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發(fā)生干涉,。那么這個實驗結(jié)果就給出了一個神秘奇特的解釋：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)認知的“微觀實體”論

　　但是,，清華大學(xué)龍桂魯教授并不認同哥本哈根詮釋對延遲選擇實驗的解釋,，他不認同現(xiàn)在的觀測會影響過去的決定。他認為,，不管后來是否在終點放置半透鏡,，光子都是選擇同時走兩條路徑,，即波函數(shù)分裂成了兩個子波函數(shù),，同時沿著兩條路徑向終點“游去”。

　　龍桂魯教授巧妙地設(shè)計了一個相遇延遲選擇實驗,?！霸谙嘤鲅舆t選擇實驗中，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,，一束會往上走,，到達上面的探測器，一束會往右走,，到達右邊的探測器,。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,，我們放上50∶50分束器,，將兩束子波函數(shù)齊腰截斷，此時我們發(fā)現(xiàn),，插入前已經(jīng)通過的那1/2的光有1/4到達上面的探測器,，1/4到達右邊的探測器,。余下的1/2，由于放置了分束器,，它就發(fā)生了干涉,，這些光就會全部到達右邊的探測器,。總的加起來就是上面的探測器觀測到了1/4的光,，右邊的探測器觀測到了3/4的光,。這也就說明了波函數(shù)是微觀系統(tǒng)的實在圖像,?！饼埞痿斦f道,。對于這一現(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)實在,，詮釋設(shè)計了上述的相遇延遲選擇實驗,。他認為，描述微觀物體狀態(tài)的波函數(shù)就是微觀物體的真實存在, 而不僅僅是一種簡單的數(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，它們還會變化,，彌散在空間,。在雙狹縫實驗中,，波函數(shù)有一部分通過左縫,，一部分通過右縫。很難理解一個小球同時在左狹縫和右狹縫,，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。這也解釋了延遲實驗中為什么光子同時通過兩條路徑,，也解釋了為什么會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,。”龍桂魯說,。

　　當(dāng)兩路子波函數(shù)相遇時,，由相干性引起的相遇后的波函數(shù)干涉相長和相消，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)出波動性和干涉,。當(dāng)測量發(fā)生時, 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發(fā)生瞬時的塌縮, 此時微觀物體表現(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際存在形式, 以及測量或其他操作對這種存在形式的影響。

　　二元狀態(tài) 應(yīng)用高歌猛進,，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,，阻礙了對神秘量子世界的清晰認識。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的生活方式。作為量子力學(xué)核心觀念的波函數(shù)在實際中的意義如何,，一直以來人們都眾說紛紜,，并無共識。中國科學(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，在基礎(chǔ)概念方面卻莫衷一是,。

　　龍桂魯認為,，這項研究提出的波函數(shù)實在詮釋, 將波函數(shù)看作是微觀物體的真實存在, 而不再是簡單的數(shù)學(xué)描述, 打破了人們對波函數(shù)的傳統(tǒng)認識, 對幫助人們深刻理解量子規(guī)律, 進一步探索微觀世界都具有重要意義。