上一講通過(guò)量子糾纏,，我們知道了微觀事物的某些屬性是在觀測(cè)的那一瞬間才確定的,，這使得我們有點(diǎn)懷疑世界的客觀性。我們還有一個(gè)推測(cè),，波函數(shù)似乎有一種超越空間的感知能力,。咱們先放下世界的客觀性不討論,，先用一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步看看波函數(shù)的感知能力,。

你不需要非凡的智力就能理解量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，但是你需要足夠的思考和耐心,，才能體會(huì)到其中的妙處,。我保證這個(gè)實(shí)驗(yàn)絕對(duì)精彩。

咱們?cè)O(shè)想有這么一個(gè)無(wú)比敏感的炸彈,。任何東西,，哪怕是一個(gè)光子打在它身上，它也會(huì)立即爆炸,。古龍小說(shuō)里的人物經(jīng)常吹牛,，說(shuō)我有這么一個(gè)神秘的武器，除了我沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)它的樣子——因?yàn)樗幸?jiàn)過(guò)它的人都被它殺死了,。你看我們說(shuō)的這個(gè)炸彈是不是就有這個(gè)性質(zhì),。你要看到它，就至少要讓它接觸一個(gè)光子——可是只要接觸一個(gè)光子它就會(huì)爆炸,，那你說(shuō)有沒(méi)有什么辦法在不引爆這顆炸彈的情況下,，探測(cè)到它的存在呢?

量子力學(xué)有辦法。這個(gè)實(shí)驗(yàn)叫“伊利澤-威德曼炸彈測(cè)試”,，一開始是伊利澤和威德曼這兩個(gè)物理學(xué)家在1993年提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),，結(jié)果1994年就被人給做成了，當(dāng)然不是用真的炸彈,。這是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的,、不需要發(fā)生任何相互作用的探測(cè)。經(jīng)典物理學(xué)無(wú)論如何都不會(huì)允許這種事情,，這是波函數(shù)的超能力,。

我先給你介紹一個(gè)新儀器，叫“馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x”,。它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,，由一束激光、兩個(gè)分束器,、兩面鏡子和兩個(gè)探測(cè)器組成一

分束器就是一塊厚玻璃,，單面鍍著一層銀,，它在這里的作用是把一束入射的光線分成相等的兩束，一束反射,、一束透射,。

咱們先說(shuō)經(jīng)典物理學(xué)的場(chǎng)景。干涉儀左下角的光源發(fā)出一道光線,，被第一個(gè)分束器平分成兩個(gè)光束,，一個(gè)往上走(路徑1)，一個(gè)往右走(路徑2),。兩束光分別被鏡子反射,，又在第二個(gè)分束器匯合。把路線都調(diào)成精確的直角,，第二個(gè)分束器再分出來(lái)的四條光線就會(huì)兩兩重合,，還是變成兩條光線，各自走向一個(gè)探測(cè)器,。這就是整個(gè)干涉儀的結(jié)構(gòu),，簡(jiǎn)單吧?

好，如果你用的不是普通光線,，而是非常純凈的,、有一個(gè)單一精確頻率的激光，有意思的事情就發(fā)生了：探測(cè)器D1將會(huì)接收不到光線,，所有的光都走向了D2,。

這是為啥呢?我們需要一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)知識(shí)，也就是“相位”,。作為一種波,，光在路上會(huì)有周期變化的波峰和波谷，相位就是波峰和波谷的位置,。光線每一次被鏡子,、或者被分束器的“外表面”反射，相位都會(huì)增加半個(gè)波長(zhǎng),；每一次在分束器內(nèi)“透射”,，或者被分束器的“內(nèi)表面”反射，都不會(huì)改變相位,。

考慮到相位的變化,，從路徑1分出來(lái)通往D1的光束的相位，和從路徑2分出來(lái)通往D1的光束的相位正好差半個(gè)波長(zhǎng),，以至于它們會(huì)發(fā)生咱們第4講說(shuō)過(guò)的那個(gè)相消干涉,，都沒(méi)有了!而通往D2的兩束光相位相同，正好合并成原來(lái)的那一束光,。

總而言之,，你只要記住,，對(duì)圖中這個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x來(lái)說(shuō)，只要一切都弄得很精確,，結(jié)果就應(yīng)該只有探測(cè)器D2能接收到光,。

對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x相當(dāng)于是升級(jí)版的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn),。雙縫實(shí)驗(yàn)里兩個(gè)縫出來(lái)的兩束光在屏幕上不同位置會(huì)有不一樣的相位差,，顯得有點(diǎn)亂；有了這個(gè)干涉儀,，物理學(xué)家可以在光的路徑上隨意改變相位,，想要什么樣的干涉就有什么干涉，路徑簡(jiǎn)單,，結(jié)果干凈,。

現(xiàn)在我們用量子力學(xué)的視角再看一遍這個(gè)干涉。物理學(xué)家有辦法,，每次向干涉儀只發(fā)射一個(gè)光子。你想想這會(huì)是什么情形,。

分束器并不能把單個(gè)光子給一分兩半,。單個(gè)光子遇到分束器，總是有一半的可能性被折射,，一半的可能性透射,，它的波函數(shù)也會(huì)獲得相應(yīng)的相位。所以光子遇到第一個(gè)分束器會(huì)有50%的可能性走路徑1,，50%的可能性走路徑2,；遇到第二個(gè)分束器又有50%的可能性前往探測(cè)器D1，50%的可能性前往探測(cè)器D2,。累積的結(jié)果,，如果你一個(gè)一個(gè)地往干涉儀送入一萬(wàn)個(gè)光子，D1和D2應(yīng)該各自接收到五千個(gè),，對(duì)吧?

當(dāng)然不對(duì),。你還記得用電子做的那個(gè)楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，你能猜到,，哪怕我們一次只發(fā)射一個(gè)光子,，也是D1接收不到光子，D2接收到所有的光子,。這是因?yàn)楣庾訒?huì)同時(shí)走過(guò)兩條路徑,，在第二個(gè)分束器上自己和自己發(fā)生干涉。

這個(gè)結(jié)果和經(jīng)典物理學(xué)一樣,，但是經(jīng)典物理學(xué)只考慮了光的波動(dòng)性?，F(xiàn)在考慮到光的粒子性,，我們就必須發(fā)明“同時(shí)走過(guò)兩條路徑”、“自己和自己發(fā)生干涉”這樣的話才能把道理講通,?？墒沁@種話說(shuō)著簡(jiǎn)單，其實(shí)非常含糊,。干涉儀這種裝置能讓我們看得更清楚一些,。

我們考慮最初從左下角光源出發(fā)的一個(gè)光子，我們假設(shè)它是簡(jiǎn)單的,、天真的,、無(wú)辜的。光子遇到第一個(gè)分束器的時(shí)候,，按照常規(guī),，它知道自己有兩個(gè)選擇，或者向上走路徑1,，或者向前走路徑2,，它很自由。不管它選的是路徑1還是路徑2,，當(dāng)它走到第二個(gè)分束器的時(shí)候,，它都還是有兩個(gè)選擇，對(duì)吧?

那為什么,，它總是堅(jiān)定地選擇前往D2探測(cè)器呢?

唯一的解釋,，就是這個(gè)光子“知道”，這兩條路徑“都”存在,。光子一點(diǎn)都不天真,。

“同時(shí)走過(guò)兩條路徑”，這是我們從人類行為方式中外推出來(lái)的設(shè)想,，其實(shí)誰(shuí)也不明白那是什么意思——也許光子根本就不需要什么“走過(guò)”,。我們完全可以換一個(gè)表達(dá)方式——

光子在出發(fā)的那一剎那，它的波函數(shù),，就對(duì)所有的路徑,、干涉儀全局的設(shè)置，有一個(gè)總體感知,。是這個(gè)“總體感知”告訴光子應(yīng)該如何運(yùn)動(dòng),。

我認(rèn)為“總體感知”是比“同時(shí)走過(guò)兩條路徑”更好的說(shuō)法，我們下一講將會(huì)看到,，波函數(shù)——嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該叫“態(tài)函數(shù)”——的感知能力并不僅限于空間,。

現(xiàn)在我們可以用這個(gè)感知探測(cè)炸彈了。我們要用到光的粒子性,，經(jīng)典物理學(xué)可做不了這個(gè),。

我們把那顆無(wú)比敏感的炸彈放在干涉儀的路徑2上,，阻斷這條路徑，然后只發(fā)射一個(gè)光子,。你說(shuō)會(huì)發(fā)生什么?

現(xiàn)在不會(huì)有干涉現(xiàn)象了,，一切神奇都消失了—一但是跟前面第二張圖中的設(shè)定相比，這里沒(méi)有神奇,，恰恰說(shuō)明了神奇,。

這一次的光子很天真。經(jīng)過(guò)第一個(gè)分束器的時(shí)候,，它有一半的可能性選擇路徑2,，導(dǎo)致炸彈爆炸，物理學(xué)家很不幸,，實(shí)驗(yàn)失敗,。

但光子也有一半的可能性走路徑1。然后當(dāng)它走到第二個(gè)分束器的時(shí)候,，因?yàn)槁窂?被炸彈阻斷了,，這里沒(méi)有干涉，光子前往兩個(gè)探測(cè)器的可能性同樣大,。

那么有總共1/4的可能性,，探測(cè)器D2會(huì)收到這個(gè)光子。這跟沒(méi)有炸彈的結(jié)果一樣,，你無(wú)法做出判斷，實(shí)驗(yàn)還是沒(méi)有成功,。

但是還有1/4的可能性,，探測(cè)器D1收到了那個(gè)光子!這件事看似波瀾不興，但是因?yàn)槟闶孪戎?，如果沒(méi)有炸彈,，D1是收不到光子的——所以你可以斷定，現(xiàn)在有炸彈!這也就是說(shuō),，因?yàn)榱孔恿W(xué),，我們有1/4的可能性，能在跟炸彈不發(fā)生任何相互作用的情況下,，探測(cè)到炸彈的存在,。

咱們?cè)僦匦罗垡槐檫@件事。從前有個(gè)國(guó)王,，給大臣們出了一道題,。他說(shuō)我有一種無(wú)比敏感的炸彈，只要有一個(gè)光子打在它身上,，它就會(huì)立即爆炸?，F(xiàn)在規(guī)定只能使用光學(xué)方法,，而不能用什么重力啊、聲波之類的技術(shù),，你們有辦法在不引爆炸彈的情況下探測(cè)到它的存在嗎?

宰相是個(gè)非常懂邏輯的人,，他做了一番周密的考慮：如果我不向炸彈發(fā)射光子，我就不可能知道炸彈是否存在,；如果我向炸彈發(fā)射光子,，炸彈一定會(huì)爆炸，我知道它的存在但是也引爆了它,。宰相斷定,，無(wú)干擾的探測(cè)不可能成功。

這時(shí)候來(lái)了四個(gè)物理學(xué)家,，說(shuō)我們有辦法……嗯,，不過(guò)我們四個(gè)人不能都成功。

國(guó)王說(shuō)那你們?cè)囋嚢?。他們的?shí)驗(yàn)結(jié)果是：

兩個(gè)物理學(xué)家直接引爆了炸彈,。

第三個(gè)物理學(xué)家表示自己沒(méi)有結(jié)論，不能作出判斷,。

但是第四個(gè)物理學(xué)家,，在炸彈沒(méi)爆的情況下，說(shuō)炸彈確定,、肯定,、一定存在。

這四個(gè)物理學(xué)家的方法是既向炸彈發(fā)射光子,，又不向炸彈發(fā)射光子：他們探測(cè)用的是光子的波函數(shù),，而不是光子本身。1/4的成功率不算高,，但是炸彈的信息畢竟傳遞出來(lái)了!

而且請(qǐng)注意,，這個(gè)成功率是可以提高的。馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x把光信號(hào)分成了兩條路線,，我們?yōu)槭裁粗环诌@一層呢?1995年,，奧地利和美國(guó)的幾個(gè)物理學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明，如果你增加干涉儀的分層級(jí)數(shù),、同時(shí)再調(diào)整分束器的反射透射比例,，你就可以提高成功的概率。在理論上,，探測(cè)成功的概率可以無(wú)限接近于1,。

我們?cè)诓桓^測(cè)對(duì)象發(fā)生任何相互作用的情況下，觀測(cè)到了它的存在。這就等于說(shuō),，我們?cè)瓌t上,，可以利用波函數(shù)的感知能力，傳遞一個(gè)經(jīng)典物理學(xué)禁止傳遞的信息,。

只可惜這個(gè)信息的傳遞速度不能超光速：我們還是得等到探測(cè)器接收到光子才能作出判斷,，而炸彈在光子的某一條前進(jìn)路線上。所以這件事兒雖然神奇,，但是并不違反相對(duì)論,。如果波函數(shù)在光子出發(fā)的那一剎那就已經(jīng)了解了全局信息，它并不能立即把這個(gè)信息告訴你,。

但是不論如何,，炸彈實(shí)驗(yàn)和量子糾纏實(shí)驗(yàn)似乎都在告訴我們，波函數(shù)好像有個(gè)超越空間的感知,。波函數(shù)好像什么都知道,。光子要有粒子性，波函數(shù)要有感知能力,，這兩個(gè)條件加起來(lái)才叫量子力學(xué),。