量子力学实验：斯特恩-革拉赫实验突破了双路径难题

2.眼见为实

最重要的是求助于实验的证据。如果说量子力学断言，测量的作用绝不是产生关于一个先在状态的信息而是使一个先在的不确定的系统呈现一个确定的外观，那么必定有有经验的理由维护它。如果不是被迫的，理论物理学家们不会提出如此古怪的和反直觉的构想。

第一批这样的演示之一，并且还可能是最容易把握的，是由奥托·斯特恩和沃特·革拉赫于1921年在德国完成的一个实验。为了实验的目的，原子被看做是一个有南北极的小磁棒，其磁性来源于原子核及绕其做轨道运动的电子，但我们暂且不必为它烦恼。

斯特恩和革拉赫实验，本质上是发送原子束使之通过磁场区，并按方向记录从中出来的原子。现在，如果一个小磁棒被发送并通过一个完全均匀的磁场，换句话说它的强度到处一样，就不会发生任何有趣的事情。可以在一个磁极上起作用的任何向上的力，都将精确地被在另一个磁极上起作用的向下的力平衡，并且这磁体作为一个整体将不受扰动地通过磁场区。

斯特恩和革拉赫是这样设计实验磁场的，它的强度从顶到底有个坡度。在这种情况下，一个垂直取向的磁棒受到的力，在它的上端将要比在它的下端强，并因而发生向上或向下的移动，这移动方向取决于磁棒顶端的极性（例如，如果磁棒的北极向上，而它正在通过的磁场的南极是向着顶部的并且是在那里最强，那么磁场拉磁棒北极向上的力比推它的南极向下的力要强，并且磁棒作为一个整体倾向于向上运动）。一个水平取向的磁棒将不被扰动地穿过磁场，因为它的两极经受同样的磁场强度，向上和向下的力将互相抵消。

这些细节并不重要。要注意领会的是，斯特恩和革拉赫用一个设计成有强度梯度的磁场，依照原子的磁取向对它们进行分类。沿着一条路径向上运动的原子和沿方向相反的路径向下运动的原子以及中间取向的原子，以一个适中的量被分离开。因此这实验的安排是这样的：发射原子使之通过磁场并记录它们从另一端出来的位置——例如，可以使原子击中照相底片或者磷光屏幕，记录下原子到来时产生的发光点。

我们期望看到什么呢？当我们发射一束原子通过这个装置时，我们期望它们的磁轴随机地指向所有可能的方向。如果这样，那么只有很少的原子经常向上和向下地最大偏转，而其他的原子将在中间偏转下通过。当它们撞击屏幕时，成束原子将因而被破坏成进入所有可能偏转的范围。

这是一个简单而又似乎不可争辩的结果，但是斯特恩和革拉赫的发现不是这样。他们发现，从磁铁中出来的原子只在两个地方撞击屏幕，这是因向上和向下偏转的原子数相同。这小原子磁体，不采用任何随机的方向，好像被要求排列成不是平行于磁场方向就是反平行于磁场方向——即不是垂直向上就是垂直向下（见图1）。

你期待的……

你得到的……

图1　在古典实验中，小磁棒会依据它们固有的但未知的取向被斯特恩—革拉赫装置的磁场偏转。然而当这个实验是关于原子的，这装置以各半的可能性把它们分类成只是两条路径。

此外，如果斯特恩—革拉赫磁铁本身转90度，以使它的磁场以水平的代替垂直的，那么原子在原束线的左边和右边两个点上撞击屏幕。

实际上，斯特恩和革拉赫发现，磁场如何排布无关紧要，它总是把原子束一分为二，每个原子不知怎么都被迫取两种可能的方向之一。这些可能的方向的被指定，显然是由于斯特恩—革拉赫磁铁的排布，而不是由于与原子本身有关的什么东西。(www.xing528.com)

现在，你可以想象，小原子磁棒与磁场的相互作用比我们曾经想的还要复杂得多。例如，当它们通过磁场时原子发现所有可能的方向中只有两个方向是稳定的，以至在它们进入磁场之前原子的磁轴指向成为无关紧要的，于是它们在装置里盘旋和绕转的结果只能以两种可能的方向出现。

与此相关的有两个问题。首先，在理论基础上，在原子与斯特恩—革拉赫磁铁之间发生了什么，这是一个基础电磁学理论和力学的问题，原子进入两个稳定的方向在古典物理学中不会有任何现象发生。

其次，如果原子磁体在穿过磁铁期间确实因受力而采取初始的许多可能排列中的两种可能的方向之一，那么在这个过程中应该能够捕捉到它们。使原子通过一个较短而较弱的磁铁，换言之，在它们完全分类之前你有可能中途拦截它们，使下述的情况不会发生：一旦原子已经通过任何一个磁场，它们只在两个方向上被发现，或上或下、或左或右，或者依赖磁场的其他什么方向。无论何时还没有谁曾经发现过在大多数向上和向下的原子中有不上不下的原子存在。

这个结果简单而又有活力，已经成为量子力学的经验基础的一个可靠的部分。我们怎样解释它呢？我们要相信，进入斯特恩—革拉赫磁铁的原子可以有所有可能的取向，因为不管磁体怎样排布（垂直的、水平的或在它们之间的任何方位），结果是同样的：原子束得分裂成两个相等的部分。因而，与初始原子束可以有某种优先的取向无关。

另一方面，我们也曾确信，斯特恩—革拉赫磁铁不以直接操纵从中通过的原子的磁轴的方式物理地“分类”它们。有两种看上去是对立的陈述。如果所有可能的原子取向在行进的束中被呈现，并且如果这磁铁本身不是物理地改变这些取向，那么我们应该在这磁铁的另一端探得所有可能的原子偏转。然而，在这种情况下却只有两种可能的取向出场。

在经典的物理学中这的确是一个不可解决的矛盾。理由之一是量子力学与古典物理学是根本不同的。在量子理论中斯特恩—革拉赫实验被这样解释：让一个原子通过一个磁铁相当于测量它的磁排列，在你做这样一个测量之前，关于原子的磁排列可能是什么，你没有什么可说；然而当你做了这个测量，你获得的只是等概率的两种可能的结果之一；而这两个可能性是由你用于测量的磁场的方向规定的。

我们忽视了一些事情吗？在测量之前原子具有随机取向，这样一个陈述会引发什么问题呢？但严格地说，我们必须改变我们的想法。在古典的意义上，“随机取向”意味着每个原子有一个确定的但是未知的磁排列，并且原子束作为一个整体包括所有可能的排列。但这会使我们陷入困境，因为它意味着一个斯特恩—革拉赫测量结果应必须包括所有可能的值，而不只是两个。因而，我们不得不换一个说法，在任何一个测量被进行之前，原子的磁取向是不确定的，是随机的。“不确定的”只意味着原子不能被指定任何有意义的磁取向，并不意味着它们中的每一个都有某种取向而我们碰巧不知道。

对于某些咬文嚼字的人，实际上认为磁取向不确定这种说法有一点太武断；清教徒式的人物会说，在你测量磁取向（例如，使一个原子穿过斯特恩—革拉赫磁铁）之前，任何专门的名词都是没有意义的。按这种新的说法“磁取向”应该被解释为，它不意味着能够由一个适当的测量发现一个确定的、不确定的，或者其他什么样的原子的性质，而应该说“测量磁取向产生的结果”。这等于宣布：真正的意义在于，在量子力学中的一个测量意味着一个测量作用的精确的和唯一的结果。

关于在斯特恩—革拉赫磁铁中所发生的过程的一个最简要的概述是：每当一个磁取向的测量被完成，只有两个结果是可能的。在实用的意义上，除对它进行测量之外磁取向不被定义，以致在测量把某种实在性和可靠性归因于磁取向这一概念之前，认为它是未决的或不定的，而严格地讲这是没有意义的，除非它被测量它的过程规定。

这是一个基本问题的核心。在经典物理学中，我们通常认为物理性质有一个确定值，我们能用测量方法尝试地了解它。但是在量子物理学中，产生任何一个有确定值的物理量只能是测量过程，因而在测量发生之前，不再可能把基本的物理性质（例如，原子的磁取向）看做任何明确的而又可靠的实在。

让我们换一种方式说：在古典物理学中，我们传统地把物理系统看做是具有确定属性的东西，并且我们想象地或实际地做一些能给我们提供这个先在系统信息的实验。但在量子物理学中，产生一个确定的结果不过是一个物理体系与测量装置的关联，并且因为不同的测量（例如，用一个具有上下或左右取向作用的斯特恩—革拉赫磁铁）产生的结果是不能与某些确定状态的先在共存的，除非我们不只描述物理学系统而且也描述我们正在进行的测量，否则我们是不能有效地定义某种物理实在的。

无疑这太难理解了。通过长时间的熟悉，在假想存在外部客观的和确定的实在的基础上，我们总算或多或少地有了一些了解。很难找到一种语言或概念来讨论那个只有当它被测量时才名符其实的“实在”。没有控制前景改变的简易方法，但是坚忍和耐心总会发生新的熟悉取代老的。让我们求索未来吧！