极度烧脑+惊人发现：4个颠覆你世界观的量子理论实验
導讀：最近，“量子”這個詞成了網紅。科幻作家們用量子理論虛構一個神奇的世界；量子計算是最火熱的前沿技術之一；量子糾纏也成了偽科學用來忽悠人的幌子……
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每天都在談論或者聽人談論量子，你真的懂什么是量子嗎？本文從最基礎的概念和4個經典實驗開始，為你帶來最靠譜的量子理論科普。
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作者：理查德·德威特（Richard DeWitt）
譯者：孫天
本文摘編自《世界觀：現代人必須要懂的科學哲學和科學史》，如需轉載請聯系我們
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01 量子理論
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量子理論是一個容易讓人迷惑的理論，因此，如果我們想準確地了解其概況，就需要非常謹慎。
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與大多數自牛頓著作和其他17世紀晚期科學家著作問世以來出現的物理學成果一樣，量子理論是一個以數學為基礎的理論。當我談到“量子理論本身”時，我腦中出現的主要是在量子理論中處于核心地位的數學部分。
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量子理論的核心數學部分發現于20世紀20年代末期，它與其他物理學分支中的數學差不多。最值得注意的是，量子理論數學是用來預言和解釋下面提到的那些量子事實的。
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最后，我還想簡要討論的一點是，量子理論數學到目前為止取得了巨大成功。量子理論數學在過去70年中幾乎從來沒有發生過變化，也沒有做出過不正確的預言。在預言和解釋方面，量子理論可以說是我們所遇到過的最成功的理論了。
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02 量子事實
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當我談到量子事實時，我所指的只是涉及量子實體的經驗事實。這樣的事實將包括有關電子、中子、質子和其他亞原子粒子的實驗結果；有關光子，也就是光線單元的實驗結果；以及有關放射性衰變時釋放出的粒子等的實驗結果。
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但是，請記住，所有物體，包括你、我、桌椅等，都是由這些較小的實體組成的。然而，正常大小的物體是否應該被當作量子實體，存在一定爭議。因此，接下來，我將主要強調的量子事實所涉及的都是不存在爭議的量子實體，比如上面提到的那些粒子。
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在本文中，我們將看到通過涉及電子、光子和其他量子實體的實驗所得到的某些相當直接明確的經驗結果。下面描述的實驗，或者與之相似的其他實驗，通常被用來表達與量子事實有關的某些奇妙之處。這些實驗主要涉及電子和光子。
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電子是原子的組成部分，用一支電子槍就可以輕松發射出來。電子槍是用來發射電子束的設備，非常常見。舉個例子，老式電視機（非平板電視）背部有一個電子槍，電視畫面就是通過引導電子槍發射出的電子運動到屏幕上合適的位置而產生的。
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而光子則是光線的單元，當然，可以由多種方式產生，比如手電筒。
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03 對現實命題的短暫討論
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我們馬上就會看到，某些涉及量子實體的實驗結果與“量子實體是波”的觀點最為一致，而某些實驗結果則與“量子實體是粒子”的觀點最為一致。假設我們現在思考一個現實問題：電子、光子和類似實體到底是粒子還是波？
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讓我們先花點時間來認清波與粒子頗為不同的事實。首先考慮一下粒子。讓我們以棒球為例。粒子是離散的物體，在空間和時間中都有定義好的位置。粒子與粒子之間以典型的粒子方式進行相互作用，比如，彼此彈開，或分裂成更小的粒子。
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而波則更多地是被看作一種現象，而不是離散的物體，在空間和時間中，波通常在相當大的范圍內傳播，而不是被局限在一個相對較小且定義清晰的位置上。比如，沙灘邊的波浪并不是在一個特定位置，而是在一個較大的區域內傳播。
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除此之外，波與波之間的相互作用也與粒子頗為不同。兩列波有時可以通過彼此相互作用而形成更大的一列波；有時，兩列波可以通過相互作用，實際上達到相互抵消的效果；還有時，兩列波可以相交后分離，各自并不產生任何變化。
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波和粒子的性質如此不同，兩者產生的實驗效果也大相徑庭。因此，你可能會認為，要確定電子是粒子還是波，并不會特別困難。
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舉個例子，假設我們有一個可以發出穩定粒子束的設備，比如漆彈槍（這個槍可以射出含有油漆的漆彈，漆彈擊打之處會留下油漆印）。繼續假設我們在房間外用漆彈槍對著兩扇打開的窗戶射出穩定的漆彈流。
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如果我們的問題是“著彈點將如何分布”，答案很簡單，很多漆彈會擊打在窗戶所在的墻壁上，而那些穿過窗戶的漆彈都將擊打在窗戶后面、房間里面的墻壁上。也就是說，在房間里面的墻壁上，我們將看到著彈點的分布與窗戶所在位置一致。
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同樣地，暫時假設電子為粒子，我們向有兩條狹縫的障礙物發射上千個電子，在雙縫后面較遠的地方有一張相紙。與我們向兩扇窗戶發射漆彈時一樣，如果電子是粒子，那么很多電子將擊中障礙物，但是那些穿過雙縫的電子應該會擊中相紙上雙縫所對應的區域。
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相紙可以記錄電子，因此在這種情況下，我們所得到的記錄看起來應該是上千個離散的粒子擊中相紙上雙縫所對應的位置，并在這個區域累積起來。
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（順帶提一句，相紙不能直接記錄電子，但是當與被電子擊中就會發光的熒光屏搭配使用時，相紙就相當于一個電子探測器。為了便于討論，我們將繼續認為相紙本身可以記錄電子。）
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如果畫個示意圖，這個情形看起來會像圖1。這個示意圖所展示的已經不僅僅是事實了，這一點很重要，不容忽視。具體來說，在電子與諸如相紙這樣的測量設備產生相互作用之前，我們無法探測到或觀察到電子，因此，圖1中所畫的電子槍和相紙之間的電子就是一種詮釋，而不是任何一種直接明確的經驗事實。
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重申一下，這是一個示意圖，或者說是一種詮釋，表明了如果電子是粒子，那么現實可能是怎樣的。記住這一點，圖1就是這個情形的示意圖。
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▲圖1 電子為粒子
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請注意電子在相紙上是如何累積的。這就是在電子是粒子的情況下，我們預計能看到的情形，而電子的這種累積模式，我們將稱之為“粒子效應”。
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接下來考慮另一種情形，假設電子是波，同時假設我們還是讓電子通過同樣有雙縫的障礙物并落在相紙上。在這種情況下，雙縫會把一列波分成兩列。這兩列波隨后會相互作用于彼此，其結果將會是一個典型的兩列波相互作用所產生的干涉模式。
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在這個特定的情況下，我們將看到兩列波之間的相互作用在相紙上產生交替分布的亮帶和暗帶，亮帶表示的是兩列波相互疊加，而暗帶則表示了兩列波相互抵消。這樣的干涉模式非常著名，自19世紀最初幾十年開始就一直得到研究。
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因此，如果電子是波，那么有雙縫的障礙物應該帶來與圖2所示類似的效果。重申一下，我想強調的是，這樣的波無法被直接觀察到，所以這幅圖同樣是一種詮釋，表明了潛在的現實可能是什么樣子的。
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理解了這一點，圖2所展示的就是在電子是波的情況下，我們將看到的情形。我將把圖2稱為“波效應”。
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▲圖2 電子為波
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總之，如果電子是粒子，它們應該會產生一種結果，那就是“粒子效應”；如果電子是波，那么它們應該產生一種相當不同的結果，也就是“波效應”。圖3概括出了粒子效應和波效應。
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▲圖3 粒子效應和波效應
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接下來，我們將描述幾個有關電子的實驗。從這里開始，我們將結束對詮釋/現實相關命題的討論，只簡單描述事實。也就是說，在本文剩余篇幅中，我們將描述一些有關量子實體的實驗設置和這些實驗的結果。
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04 四個實驗
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下面描述的實驗是相當標準的范例，廣泛用于說明量子事實某些令人迷惑的特點。
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實驗1
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實驗1如前面的圖1和圖2所示，也就是，我們用一把電子槍，向一個有雙縫的障礙物發射電子，并用相紙記錄電子落點的分布。
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根據這個實驗設置，結果很明顯是波效應。也就是說，相紙上會出現交替出現的暗帶和亮帶。請再注意一下，從某個意義上說這是一個直接明確的量子事實。
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我們所描述的只是由觀察得來的直接明確的結果：如果你設置一個有雙縫的裝置，就像前面所描述的那樣，那么結果就將是一張有暗帶和亮帶交替出現的相紙。
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實驗2
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至于實驗2，讓我們把第一個實驗的設置稍作修改。具體來說，假設我們保留了第一個實驗的全部實驗設置，只是增加了一個被動電子探測器來監測每一條縫。
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也就是說，在上面那條縫的后面，我們放置一個電子探測器，將其稱為探測器A，它將記錄所有通過上面這條縫的電子。在另一條縫的旁邊，我們放置第二個探測器，將其稱為探測器B，它將監測下面的這條縫。整個實驗設置看起來就如圖4所示。
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▲圖4 加入了電子探測器的雙縫實驗
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加入探測器是出于以下考慮：如果電子是波，那么波將會同時通過兩條縫，因此，兩個探測器應總是同時啟動，絕對不可能出現只有其中一個探測器單獨啟動的情況；而如果電子是粒子，那么每個粒子最多只能通過兩條縫中的一個，因此，每次應該只有一個探測器探測到電子，兩個探測器絕不會同時啟動。
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回憶一下，在實驗1中，結果很明確是波效應。現在我們所研究的實驗完全保留了實驗1的設置，只是多了探測器。由于這些探測器是被動探測器，探測器將不會干擾電子，只會提示電子是否存在。我們最初的判斷會是這個實驗的結果將同樣是波效應。
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然而，實際情況恰恰相反，這個實驗結果很明確是粒子效應。與此一致的是，在一個時間點，只有一個探測器啟動。探測器從來沒有在雙縫處同時探測到電子，也就是從來沒有出現在波效應中應該出現的情況。這個結果看起來似乎表明有了探測器的存在，電子的行為模式就變成了粒子。
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除此之外，假設我們在電子探測器上安裝一個開關（類似電燈開關），這樣我們就可以按照自己的需求打開或關閉探測器了。只要調整開關所在位置，我們就可以在波效應和粒子效應之間轉換。
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當開關在關的位置，我們將看到波效應，在開的位置，就是粒子效應，而且只需要將開關前后一撥，就可以在兩者之間進行轉換，頻率和速度完全由我們自己控制。
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這些實驗結果非常出人意料，因為很難想象這樣的探測器如何可以給實驗結果帶來如此實質性的改變。
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然而，重申一下，這就是有關量子實體實驗的一個事實，也就是說，如果實驗設置如實驗1中所述，結果是波效應。如果我們如實驗2中那樣加入了電子探測器，結果就是粒子效應。
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同時，就像前面提到過的，僅僅是打開或關閉探測器，我們就可以在波效應和粒子效應之間轉換。
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實驗3
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至于實驗3，我們將使用光子槍而不再是電子槍。光子槍是一種可以發出光線“單元”的設備。在這個實驗設置中，我們將使用一個分束器（實際上只是一面部分鍍了銀膜的鏡子）、一個合束器（實際上只是一面雙向鏡）、兩個普通鏡子和一張用來記錄結果的相紙。
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與實驗2中相似，我們將加入兩個光子探測器，但是在實驗3中，這兩個探測器將保持關閉。總之，整個實驗設置看起來就如圖5所示。
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▲圖5 分束器實驗
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這個實驗背后的核心如下：假設光子是波，那么光子槍向分束器發射一束波，分束器將這束波分成兩束，其中一束波繼續直行，到達圖5中右上角的鏡子，而另一束被反射后向下運動，到達圖5中左下角的鏡子。
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這面鏡子再次將波反射，使這束波與另一束波在合束器處合并，然后到達相紙處。由于在這個情境中存在兩束波，因此它們會互相干涉，并在相紙上產生波的干涉模式，也就是波效應。
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另一方面，如果光子是粒子，那么光子的運動路線要么是上方/右側路線，要么是下方/左側路線。在這里，不存在波的干涉，因此我們將看到的應該是粒子效應。
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盡管我們在示意圖中包括了光子探測器，但在實驗3中，這些探測器是關閉的，因此沒有發揮任何作用。當我們進行這個實驗時，結果很明確是波效應，仿佛光子是波。
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實驗4
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在實驗4中，我們將保留實驗3的全部實驗設置，同時把探測器打開。
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到這時，你很有可能會猜測，而且這個猜測確實是正確的，也就是如果我們打開探測器，可能會出現奇怪的現象。同樣地，這些探測器很可能扮演了一個被動的角色，就像實驗2中的探測器一樣。
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同時，如果光子像前一個實驗所表明的那樣是波，那么我們將看到的就應該是兩個探測器同時啟動。畢竟，實驗3意味著光子是波，因此一列波應該同時到達兩個探測器。
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然而，事實上，實驗結果是同一時間兩個探測器中只有一個啟動起來，也就是當光子是粒子而不是波時，我們所應該看到的情況。盡管這個實驗幾乎與前一個實驗一模一樣，但是相紙上的結果很明確是粒子效應。
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與在實驗2中的情況一樣，在實驗4中，我們也可以在探測器上安裝開關，這樣僅僅通過打開或關閉探測器就可以在波效應和粒子效應之間隨心轉換。
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讓我們花點時間思考一下這看起來有多奇怪。在實驗3中，似乎只有光子真的是波時，我們才能得到那些實驗結果。而在實驗4中，似乎只有光子真的是粒子時，我們才能得到相應結果。
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05 關于實驗結果的討論
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上面提到的只是上千個實驗中的四個實驗及其結果，不過這四個實驗結果已經足夠體現量子事實的某些奇特之處。讓我再簡要討論兩點。
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首先，要預測有關量子實體的實驗結果，下面是一個粗略指南。如果實驗中有對量子實體的探測或測量，那么被探測到的似乎是粒子，也就是說，量子實體在被探測的時候似乎是粒子。但是在沒有探測或測量時，量子實體的行為模式似乎表明它們是波。
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因此，作為預測實驗結果的粗略指南，我們關心的是對量子實體的第一次測量或探測發生在什么時候。
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在實驗1中，第一次測量的設備是相紙。在用相紙進行測量之前，請把量子實體的行為模式當成像波一樣。由于在雙縫之后才有探測，因此似乎存在波的干涉，而我們所應預計看到的就是一個典型波效應的干涉模式。
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另一方面，在實驗2中，對量子實體的第一次測量發生在探測器處，還沒有機會發生波的干涉。對另外兩個實驗，情況也是如此。
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請注意不要誤解我在前一段所表達的觀點。我并不是說量子實體在被探測時就真的是粒子，而在沒有被探測時就真的是波。相反，對于到底發生了什么，我持不可知論主義態度，而只是提供了一個預測此類實驗結果的粗略指南。
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當量子實體被探測時，把它們當作粒子，當沒有被探測時，則把它們當作波，這樣對上面提到的實驗，就有了一種方法來預測實驗結果。
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涉及量子實體時，測量或探測似乎扮演了一個有趣的角色。舉個例子，前面實驗中的電子和光子探測器是檢測電子或光子是否存在的測量設備。這些測量設備似乎會影響實驗現象，也就是影響我們將看到波效應還是粒子效應。而這十分令人困惑。
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電子、光子或其他量子實體如何“知道”附近有探測器或其他測量設備？基于這一點，什么才真的能算是對量子實體的測量？這些都是很難回答的問題，構成了人們通常所說的“測量問題”。
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限于篇幅，本文不再展開講測量問題。如果你想了解一下這些關于測量的命題，以及測量在量子理論中所扮演的有趣角色，你可以閱讀《世界觀：現代人必須要懂的科學哲學和科學史》一書第25章。
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關于作者：理查德·德威特（Richard DeWitt），美國費爾菲爾德大學（Fairfield University）教授。他利用豐富的課堂教學經驗對《世界觀》一書的文稿進行反復打磨，并配以豐富的圖表補充說明。同時，作者具有將復雜的技術概念分解成讀者可理解的語言的獨特能力，讀來令人大開腦洞。
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本文摘編自《世界觀：現代人必須要懂的科學哲學和科學史》，經出版方授權發布。
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延伸閱讀《世界觀》
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推薦語：【全新譯版重磅上線】“如果你每天都讀你看得懂的書，你就只知道已知的世界觀”，所謂成長，就是用《世界觀》升級認知。廣受美國大學歡迎的人文通識讀本，科學哲學和科學史的必備入門書。
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的极度烧脑+惊人发现：4个颠覆你世界观的量子理论实验的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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