究竟发生了什么：透析量子力学

14.究竟发生了什么？

如果我们想知道光子走了哪条路，那我们就看不到干涉图样；如果我们想看到一个干涉图样，那我们就不能要求知道光子走了哪条路。对于那些相信我们可以获知我们想知道的任何物理知识的人来说，这会是一个令人沮丧的结论，但还不像是悖论。然而这种实验的一个变动似乎使我们陷入泥潭。

一块普通的玻璃，保持适当的角度，可以反射和透射光。想想看，当你夜间行驶在一条没有障碍的街道时，你会在你的车窗上看到后座客人的脸隐约浮现在外面的街景上。如果光是光子流，那么我们可以再次得出结论，每个光子将以适当的概率或被这块玻璃反射或穿过它。

通过对这种想法的上述推敲，物理学家们制造了一个波束分离器，一种以各半的概率发送光子通过这条路或另外一条路的装置。如果来自一个激光器的光被这样分离，那么这两束是物理上不同而又相干的，它们的上下波动是一致的。如果用镜子引导这两束光在屏幕上重新结合，那么将出现一个干涉图样。虽然技术有点不同，但并不比一个“双缝”实验的翻版多点什么。犹如以前，令人困惑的是，即使每次只发射一个电子，以致人们可以认为光束分离器必定以这条或那条路把光子发送到屏幕，仍然出现一个干涉图样。单个的光子不晓得怎么就通过两条路，恰像通过双缝。

因此可以预见，如果我们在某一条路径上放一个探测器，那就不会有干涉图样出现。

这多少有点不同的新实验装置（无论某些人怎么看）显示出光子的甚至更令人费解的奇异性。只要你喜欢，光子可能通过两条路是在理的。这意味着，你现在可以在距光束分离器足够远处的一条路径上放置一个光子探测器，无论如何光子已经确定无疑地通过光束分离器之前，你可以等待以决定你是否启动探测器。这就是众所周知的“延迟选择”实验。不用探测器，我们能看到干涉图样；而用探测器，我们询问光子走哪条路，因而失掉干涉图样。这新的因素在于我们的那个选择，直到光子通过光束分离器而已经处于路途之中，执行的实验不进行。

我们也许会想，在干涉实验中光子同时在两条路上神秘地穿行，而在“哪条路”实验中光子被迫选择这条路或那条路。但是，如果我们把执行实验的选择延迟到光子已经通过光束分离器之后，光子怎么知道该做些什么呢？

让我们更精确地解决我们正在探究的问题。上述的论证只是暗示，当光子到达光束分离器时，它不知怎么就知道，它注定不是一个干涉图样就是一个“哪条路”的探询，并相应地行为。当我们更加注意延迟选择时，这个表现的先兆被夸大到离奇的程度。

假如路径长到足以允许某些人抛掷一个硬币，以完全随机地决定探测器是否该启动。现在，物理学家们开启这样一个实验，到达光束分离器的光子没有被暗示接着会发生什么，然而光子立即穿过玻璃板——我们可以假定它自身的行为不是完全朝下地走某一路径就是完全朝上地走另一路径，机会均等。实验者跑到门口，从外面拉来一个小孩，让他抛掷一个便士，如果便士的头朝上，探测器就启动。(www.xing528.com)

随着探测器的启动，我们开始与一个“哪条路”的实验打交道，并要求光子必定在这条路或那条路上。在另一方面，如果这便士的背面朝上，探测器会保持不启动，这光子将有两条可探查的路径，并且我们将与干涉实验打交道。简言之，我们似乎已经设计了这样一个实验装置，要求光子穿过玻璃板时选择某种行为的方式，而实验者或有便士的小孩事先并不知道其后要求哪一种行为。

然而，当这种类型的一个实验完成时，总是发现光子已经作出了一个恰当的选择。如果便士的背面朝上，探测器不启动，一个干涉图样出现；如果它的正面朝上，探测器会启动，干涉图样就不会出现。不论如何，光子总是正确的。即使你相信可能的超人洞察力，甚至在最顽强的超感官知觉狂热者也只满足于52%的成功率之时，认为电磁能的一个纯粹的耳语可以100%地去预言一次抛掷硬币，也是令人难堪的。

但如果我们发现开始所认为的光子能够预知未来是荒谬的，那么我们最好再想想如何解释这个实验。

答案是返回到我们开始所涉及的那部分陈述：如果我们想知道光子走哪条路，我们就不能看到干涉图样；如果我们想看到干涉图样，我们就不能要求知道光子走哪条路。这是我们能安排这种实验装置的最低限度的解释，甚至在所谓的“延迟选择”实验中这种解释都是正确的。不论准备多么精心，不论抛掷硬币多么随机，最终的事实依然是，探测器不是打开就是关上，并且干涉图样或者被观察到或者不被观察到。这个简单的逻辑计入那些从实验中获得的一切不容置疑的实验数据，并建立它们之间的正确的联系。如果我们只坚持这个简单的逻辑，那么就不会有双缝实验中不曾看见的什么异常从延迟选择实验中出现。只有当我们放弃想象的主张，问题才会出现，一旦我们知道一个实验的结果，那我们就能以这种方式准确地推论出必定要发生的事情。也就是说如果我们看到一个干涉图样，我们就认为光子一定已经把自己分裂成分别进入每一条路径的碎片；然而，如果我们知道光子在一条路径上被探测到，我们发现我们不能不赞成这样一种想法，即它实际上必定一直沿着这条路径走而不是其他的路径。但是当我们做延迟选择实验时，我们发现坚持这两个彼此排他的解释中的这个或那个会遇到麻烦，因为好像是光子一定预先知道将发生什么，以致能选择一个遵循它的适当行为。但是重要之点在于，这两种可能的行为并非我们所知道的光子实际上一直遵循的行为，而是为了赋予实验结果以某种意义把推理的、推论的或（准确地说）推测的行为认为是光子的。

科学的一个正当的和基本的事实是，人们藉助于一系列的实验数据建立推论或假说，并且如果这些假说是合理的就会发明更精心的实验去检验。延迟选择实验的训诫是，迫使光子采取两个不同并且对立行为中的这个或那个的任何假说，实际上都是不合理的。

并且我们早就应该预先知道了这点。关于量子力学，我们从斯特恩—革拉赫实验中学到的最重要的东西是什么？在实验得到一个测量值之前，电子的自旋全然是一个不确定量。此外，在“向上”的方向发现一个电子就说它始终在这个方向，这样的一种说法可以证明是不正确的，因为任何这样的推论都与如下的思想相矛盾，即沿不同方向的一个自旋测量将有应答，例如，一个左右而不是上下的区别。再说，认为你可以从任何测量推论被测量系统“果真”是先在状态，将超出量子力学的限界。更确切地说，测量进行之前系统是不确定的。延迟选择实验使这个特征明朗化。观察干涉图样，或探测在某个路径中的光子，本质上是对一个复杂系统的一次简单的测量。认为一旦测量被进行我们就能了解系统（在某一条路上或同时在两条路径上行进的光子）内部真实进行着的行为，这是企图固定下一个被测系统的先在状态。这将引起麻烦，我们必须反对这种企图。

具体化在本节头两个陈述中的量子力学的最低解释好像贤明而又严肃的父母反对孩子某种行为的训诫。限制无疑是为了防止危险。