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第四章 微观粒子世界 第一节 量子的智慧选择（第2页）

提出黑洞、量子泡沫、真子等很多重要概念的著名物理学惠勒为了检测到量子世界里不可思议的特性，通过一个戏剧化的思维实验指出：我们可以“延迟”光子的这一决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝还是两条！

约翰·惠勒九十岁时像一个老顽童，他对人非常亲切和友善。他通常总是面带着微笑并且有时还会向经过他的所有人挥手致意，并与学生合作出版物理学著作。惠勒虽然没有获得诺奖，但是他的物理学思维却赢得尊敬，他第一个提出黑洞概念，引入了极小时间与极小距离的普朗克尺度，并在此尺度极限下引入“量子泡沫”概念（即时空在10-35米空间距离与10-45秒的时间间隔上的动**），他提出质朴性原则，提出没有质量的质量、没有电荷的电荷，他提出真子概念（光子高密度集中以至于全部光子绕着共同的中心转动，这些光子是通过自身引力来保持轨道运动的），关于宇宙深度他还提出了“一切源于信息”（真实宇宙世界的“一切”可能最终都基于信息）说法。惠勒开创了量子信息理论的新纪元，同时也因为他多角度的创新哲学观点而受到物理学界的尊敬。

惠勒在1978年提出的一个超出当时水平的延迟实验检验量子世界，现在已经在很多实验室实现了这一实验。该实验是在一个光子离开光源较长时间后，允许一名实验者决定这个光子是应该沿着单一轨迹进入探测器，还是沿着两条叠加轨迹进入探测器。

如图023所示，在光源出发点A直角处有一个半透半反射镜，C、D处都有反射镜。每个光子都有50%的机会到达左探测器，50%的机会到达右探测器。

为了描述这一实验，在A处后面偏离一侧建立光源，可向A处上方的半透半反镜发射光子束。半透半反射镜是一块镀有很薄一层银的玻璃，只能将照射到其上的光反射一半，而让另一半光通过，那么单个光子就有50%的机会被反射，还有50%的机会通过。还有另外一种情况：那就是一个打到半透半反镜上的光子将既反射又透射其波函数是分散的。光子在打到半透半反镜上后，将处于两种不同传播方向的叠加态。

A处的半透半反镜可以使透过的光到达B处，被它反射的光则到达C处。

在上述两处放置了全反镜，这样所有光线（或者说所有光子）都会被反射到D处，在D处上方什么都不放，在D的左右分别放有探测器，这些探测器能够记录到达的光子（所有光子）。比如右探测器发出一次嘀嗒声就说明从C处打来一个光子，从左侧探测器发出声音则说明从B处打来一个光子。现在还没有态叠加的明显证据——从概率进行的测量来说，左右两侧将会各探测到一半光子。

现在，让我们来证实光子确实同时沿着两条轨迹运动：我们用一个半透半反镜放置在D处上方，这样来自B处的光有一半会被反射到右边，另一半则会直接透射到左边。而来自C处的光则有一半被反射到左边，另一半直接透射到右边。

如图024，通过仔细摆放该半透

半反镜可以使两束射向右侧的光发生相消干涉，而两束射向左侧的光发生相长干涉。那么光都将抵达左侧，向右侧传播的光波将彼此相消，向左侧传播的光波将彼此加强。在上述情况不动的情况下，如果光源发射的是一个个单独的光子，左侧的探测器不断发生嘀嗒声，这说明不断有光子到达那里，而右侧的探测器则没有任何声音。这说明，每一个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。所有光子都抵达右侧的现象只能通过光子波函数（或振幅）进行解释。光子的波函数先分散再汇聚，从而光子波才会与自己发生干涉相长或干涉相消。

现在我们做另一个选择测试——延迟选择，证明每个光子是沿着两条轨迹运行的，这时候可以不在D处上方放置任何装置。但是，为了测量显示出每个光子的运动轨迹。我们在D处上方放置一个半透半反镜，将光源打开一纳秒，一个光子的运动速度是每纳秒1英尺（1纳秒的时间等于1秒的十亿分之一）。在这么短的时间内，光源也就发射出几十个光子。然后我等待30到50纳秒的时间，准备做出一个决定，等我们做出决定时，那些从光源发射出的光子已经离光源很远了，但是它们到D处还有点距离，还在传播路途中。

接下来，我们想弄清楚每个光子所走的路径。然后在D处上方什么都不放置，统计左右两侧的探测器记录到达的光子，每个探测器应该各记录下一半光子。这表明，到我开始做出决定的时候，每个光子已经被“交给”了各自的路径，要么通过B处，要么是通过C处。如果我改变决定——在每个光子发射完，光子恰好处在自己路径上之后——想弄明白是否每个光子都同时处在两个路径上，那么我将半透半反镜放置在D处上方，通过仔细摆设透镜，产生波的干涉，这时所有光子都会奇迹般地要么抵达右侧探测器，要么抵达左侧探测器。这说明每个光子都与自己发生了干涉，而且每个光子都是同时沿着两条路径运动的。

我们再换一下思路，把半透半反镜留在D处上方，D处左右两侧各有一个探测器，并派一个人站在AB之间的路上（如图025），结果发现没有光子（或光子波）能通过AB这条路程径，所有到达D处的光子（或光子波）都一定是通过C处过来的。两个探测器发生的嘀嗒声频率相同，每个从C处到达D处的光子都有50%的机会直接透射到右侧，还有50%的机会被反射到左侧。

干涉消失，光子成为沿着特定路径（AC）运动的单个粒子。光似乎提前预感人的阻挡，不走AB路线了，虽然很难验证在几纳秒的时间内做出的“决定”。如果该实验能在实验室房间之外更大尺寸上也能进行，比如足球场上，几百公里的范围内。正如惠勒本人所说，这种实验没有理由在宇宙距离上不能进行。比如从遥远的恒星爆炸发射出的来的光，抵达地球的光有两种可能路径，光可以在星系E，我们可以在该星系观察到从恒星爆炸发出的光子。如果是另一星系F，天文学家同样会在F星系附近看到那些光子。如果天文学家在天文台里能够在接收到来自两个星系的光的位置放置一面半透半反镜，理论上沿着两条不同路径传播的光将会发生干涉，并只在一个方向上产生可见的光子（与上述延迟实验类似）。天文学家可以在光离开类星体几万年，甚至几十亿年之后再决定是否寻找特定路径或者寻找两条路径之间的干涉。这太神奇了！但是这就是量子世界的诡秘行为，量子行为是概率性的，一个事件发生的世界，对事件不同的结果选择，会产生不同的行为。

以上种种诡异的量子行为确实是个奇怪的现象。用爱因斯坦的话说，这太诡异了，但这却是事实。所以物理学家费恩曼说：“我可以有把握地说，没人能够理解量子力学。”

有些物理学家认为双缝实验太令人混乱了（你越思考，头脑就越混乱——尼尔斯·玻尔语），以至于他们认为尽管量子力学取得了无数成功，且从未失败，但仍旧是不完备的，他们相信在二十一世纪的某个时候——无论是下一年还是从现在起五十年以后——将会出现新的理论（一种能够包含量子理论，并且能对量子理论的成功进行解释的理论），但是新理论必须更具“远见卓识”。即便是不被双缝实验表现出的古怪所困惑的物理学家，也都倾向于认为量子力学的某种内在因素尚待出现。

爱因斯坦一直相信自己的判断，就是说如果量子力学如果是完备的，那么就可以通过量子力学及其方程解读出“真实图景”，拥有因果关系。

哥本哈根派玻尔却认为，如果我们是透过一块黑色玻璃观察的世界，那么我们观测的就是世界的“真实”。这体现了当时有局限的实验条件下，两大学派对于物理的哲学态度。前者要继续深挖探索，后者认为够了。

玻姆的理论其实更像是爱因斯坦观点的继承与延续，他认为：目前量子力学之所以是一个统计理论，是因为存在还未发现不被人所探索到的隐变量，这种隐秘关系也涉及到生命意识问题。如果能找出决定个别体系定律的隐变量，就可以准确地预测微观现象每一次测量的结果，而不只是出现的几率。

也就是说，如果发现隐变量，那么因果律还是存在的。

总结：爱因斯坦为了寻找因果关系，把后半生精力都用在寻找大统一理论中来，现代物理学实验证明，电子能够再次分裂，也能够同时测到量子的两种状态，而按着新宇宙模型——圆转聚合的物理模型，量子世界必然存在更深层的粒子关系，没有绝对的真空，影响量子的因素就在更深层量子中。

电子、光、夸克等可能有其他更深层粒子组成的，也可能有其他机理。量子世界必然存在着更深层的背景关系，这种背景关系与宏观宇宙也是关联的，只是现代科学由于工具有限很难实验发现。

而量子求和认为，因为测不准几率问题，量子轨迹无所不在，其轨迹漫步于宇宙空间，这种认识也许存在着问题，量子能够激发更深层、微观、快速的粒子做出反应，但是单个量子本身影响范围应该是有限的。也许这会在以后的实验中发现，当电子射向中间有缝隙的屏幕的时候，电子就开始激发深层粒子的反应，这会影响其途径，量子能够激发运动过程中的周围更微观粒子环境及其反应。