量子叠加观察：揭秘命运之神

39.量子叠加能被观察吗？

坦率的回答当然是不能：根据定义，量子叠加是先在于测量的。一旦测量完成其规则就指定必然得到的诸可能结果范围内的一个特殊结果，以致同时存在的两种不同状态绝不能直接地表现出来。量子力学的神秘莫测的部分仍然是我们的眼睛所看不到的（这也正是它神秘莫测的原因，如果量子叠加能在我们的感知世界中发现，我们老早就发展了一门关于它们的语言，也就不会觉得它们陌生了）。

然而，我们能够看到量子叠加结果的效应。双缝实验保留着最好的事例：一个设法通过一个双缝仪器的光子以严格可定位的古典粒子不可能做到的方式产生一个干涉图样。如果你坚持用粒子语言说一个光子必定穿过了某个缝，你就不能理解干涉图样，按照波动术语它要求来自每个缝的贡献。只有接受叠加的构想，即认为存在着描述穿过双缝的光子的波函数的共存部分，你才能开始理解干涉何以能在这种情况下发生。同时你必须谨慎地想象，与每个缝相联系的波函数的一些部分保有与实际穿过缝的实际光子有关的什么东西——正如我们已经知道的那样，开始把一个传统的实在的地位归于波函数的那些部分。那些东西就变得微妙了。

这些熟悉的叠加事例——双缝实验，先在于自旋测量的电子，或先在于偏振测量的光子——适合于那些单个客体、个别量子之类的东西。包含大量光子、电子或原子的巨系统以同样的方式运行吗？这并非容易知道，但至少有个有名的并且有教益的事例。

这个事例来自某个超导装置，当冷却到适当低的温度时它没有任何电阻地导电。在超导物质环带内建立起来的电流无损失地环流不息。而在铜线环里，由于电阻的存在，动力电一切断，建立起来的电流就会停止。

这里不是详细讨论复杂的和严格的超导理论的地方，直到超导现象在1911年首次被发现后半个世纪它还没被建立起来。我们这里需要知道的全部在于，超导体中的电子以相干的方式运动。在普通的铜线和超导体两者中，电流都等于电子流的集合，但在铜线里电子就像企图沿着乡镇狭窄的街道游行的人群那样互相挤撞着。电子冲撞线中的铜原子并彼此碰撞，这连续不断的挤撞、阻挡和改变方向等于流动的阻力。在铜线上施加电压可以使所有的电子一起动。

但在超导体中，电子完全放弃了个体意识和目的并且一体地运动。并非每个电子都像其他电子一样做着相同的事，而是以相干的方式运动。这种相干的人类示例是橄榄球赛场中的人群形成的波动。如果运动场中每个人随意地站起来或坐下去，你将看到的一切都是混乱的，但当每个人都协调他们的动作，就会出现波潮到处传播。这里出现有趣的现象：当人群中一个地方的一个人站了起来，而在对面看台上的另一个人坐着。当其在周围波动时，你会发现这样的一些人对，他们的站起和坐下的动作很和谐。超导体中的电子行为就像这样。它们成对地连接着，不是接触意义上的连接而是动作配对的意义上，即使它们相隔很远。

按照量子力学，这种和谐的结局在于，超导体中的所有电子对由同一个波函数描述（橄榄球场中的所有人对以系统安排的时序做同样的事）。当超导体两头对接形成一个超导环时，另一件事发生：因为所有的电子对遵循单一的波函数，这个波函数必须在环内连贯地自我绕转。这个波函数的诸含义中间的连合在于，贯穿内圈并实际地连接着环绕电流的磁场成为“量子化的”，意味着它只取某些分立的值。(www.xing528.com)

现在制造一个直径为几厘米或更大一点的超导环并不太难，并且如果量子理论是正确的，这个巨物体应该正确地描述为一个由通过它的电流和陷在其内的磁场表征的单一的量子系统。即使它是一个巨大的复合的物体，具有由数不尽的电子的运动引起的电流和磁场，它也是或应该是一个单一的量子客体一样。

一个闭环，一旦建立起来就会永远运载电流。换句话说，它停留在一个固定的量子态。在周环的某处做成一个小裂缝更有趣的事态会发生，以致这电路不完全是一个完整的环，而是在裂缝处存在微小电阻的“弱连环”。只要这个裂缝很窄，超导电流就会继续流动，实际上能跃过这个裂缝。但是，粗略地说，裂缝的存在允许磁场穿过环而稍有进出，它不再被严格囚禁，并且磁场的附加增量能够通过裂缝跃入环内或跃出环外。现在我们有一个量子系统，它由一定强度的磁场表征，这磁场可以从一个状态跃到另一个状态。

最近几年已经完成了一些困难的和细致的实验，其中外加的磁场被用来控制这环的个别量子态的稳定性，并左右它易于从一个状态跃到另一个状态。这个系统的确会以量子力学规定的方法跳跃，并且能得到某种更诡辩的结果，它暗示那磁场能存在于一个真正的叠加状态而不包含0这环的不同磁态的同时存在（回到我们的语言的不精确应用）。

当然，正如我们开始所说，这些叠加是不能直接演示的，因为对于这环的磁态的任何测量都迫使它接受某个特殊值。而不涉及磁态的环的其他性质的测量也与环内磁态叠加的存在相一致。

简言之，任何事物都按量子力学认为它应该的那种方式运行。这告诉我们什么呢？主要是，至少在这个事例中，主张客观系统按量子力学规则表现是可能的。这是重要的结论，因为人们曾经常认为逃避测量问题的一个简单方式应该是假定，作为与单个量子客体相对的宏观系统应不遵循量子力学的基本规则，并因而承认叠加态。超导环是这个假说的一个反例：它确是一个宏观系统，但它显然行为得恰如地道的量子理论的预言。你不能以这样的假设为理由避免测量问题，即大的物体和系统服从另一套规则。

你可以认为系统的双缝实验是量子力学合适的宏观表现，因为它是以一个大的仪器和结果——干涉图样的出现——结束，这是肉眼容易看到的。但在双缝实验中，基本客体是穿过仪器的个别光子，而在超导环里量子状态表现的是万亿个电子对一起行动的合作运动。

简言之，并非把大量的个别的量子客体放在一起就必然抹杀了量子行为。另一方面，超导体是一个非常特殊的和不寻常的东西，并且巨系统中的电子一般不能非常好地一起前进。如果超导体所呈现的大规模量子行为只是由于作为它存在的特殊条件，那么或许我们应该问，那些普通的非超导系统在何种意义上不同，并且如果这个区别含有与为什么有关的某些东西，那么它们显然不显示量子行为。