量子大唠嗑：三因果论及其实验解释

量子力学本身更像是一个唯象的理论体系，与我们所熟知的日常习惯模式不同，也至今没有被牛顿力学所建立的经典哲学所认识和包容，同样，它也不特别包容我们所习惯的经典认知哲学。但从实证的角度讲，我们迄今所有的实验都在确认它的正确，无一反例。量子力学曾经纠结于此，玻姆（David Bohm）试图通过整体论来复活隐函数理论，说明可以有基础的理论来解释量子的随机性事实上“也是可预测的”，而贝尔（John Bell）不等式的实验证明了隐函数理论并不存在（我们会插播很小的一节来说明贝尔不等式，这会有一定难度，但绝对是值得的）。我很小心地提出另外一个假设，即当体系变得复杂而缺乏足够的信息支撑的时候，体系所建立起来的关联会使体系可以被一个量子系统模拟。我还是小心翼翼地这样说，因为这个假设缺乏有力的数学基础，也许将来可以从量子模拟的角度建立实验去验证。就目前而言，承认这个假设会有助于我们解决很多现实的问题，这些会在我们后面的论述中用到，我们称为“对于复杂体系信息缺失时的关联假设”。

我们回到刚刚讲过的双缝干涉实验。粒子“知道自己”该落到比较亮的地方而不是比较暗的地方，这样才能形成条纹。做这个实验的时候，把粒子的密度降低，比如降低光的强度，每一次只有一个光子经过窄缝，时间足够长就一样会形成干涉条纹。按照经典的波粒二象的说法，粒子自己干涉形成条纹，但这件事情似乎无法设计合适的实验来证伪，只是一个说法，因为迄今我们还没有一个理论来解释量子行为。换个角度，我们一样可以说粒子跟粒子之间关联，继而产生了干涉。一个粒子其实知道另一个粒子会过来，到哪儿去，于是它选择了自己的落脚点。有些粒子先过去，有些粒子后过去，落在它们按照“概率波”干涉的规律该落的地方。但这样的结果会从逻辑上发生问题，先过去的粒子如何知道后面的粒子什么时候过来，自己该落在什么地方。本来出来之前大家都商量好的，作为第一个电子，“大家跟我来”，但是当前面的电子过去，掉在屏幕上某一个符合波动规则的地方的时候，比如是干涉的亮点而不是粒子的“亮点”（注意，很多位置它们是不一致的），确定自己位置之后，实验者决定把系统关掉，后面粒子不出来了。这样前面的电子的位置不是对的，关联而干涉的契约被打破了。再往下推的话，逻辑上就会有一个问题，这是不是说明现在的事情可以被未来的事情决定？我们再举一个例子。

图2–12 光子干涉实验（原理图）

在半透半反镜BS1左边有一个可以发射光子束的光源。半透半反镜是一块镀有很薄一层银的玻璃，能将照射到其上的光一半反射，而让另一半光透过。对于单个光子来说，意味着有50％的机会被反射，50%的机会透过BS1。光子打到半透半反镜BS1上后，将处于两种不同传播方向的叠加态。在M1和M2点各放置一块全反射镜子，使得光线或者说所有光子都被反射到C处。C处开始什么都不放（图a），光在此处出射的两个方向上分别放置探测器D1和D2，这些探测器将会记录到达的所有光子。D2探测器发出一次嘀嗒声就说明从M2打来一个光子，而D1探测器发出一次嘀嗒声就说明从M1打来一个光子。到目前为止，尚无光子态叠加的现象，只是对两个分离轨迹的概率进行了测量。平均而言，D1、D2将会各探测到一半光子。为了证实光子确实同时沿着两条轨迹运动，在C处再放置一个半透半反镜BS2（图b），这样来自M1（M2）的光会有一半被反射到D2（D1），另一半则会直接透射到D1（D2）。通过仔细摆放半透半反镜BS1、BS2可以使两束射向D2的光发生干涉相消，而两束射向D1的光发生干涉相长。从波函数角度去思考，很容易预测其结果，所有光都将抵达D1。沿着M1C、M2C方向传播的光波，在探测器D2方向传播将彼此相消，在探测器D1方向被相干加强。那么单个光子是怎样的情形呢？正如量子力学的预测，D1探测器不断发出嘀嗒声，说明不断有光子抵达那里，而D2探测器则没有任何声音，因此所有光子都抵达D1探测器的现象只能通过光的波函数进行解释。光的波函数先分散再汇聚，从而光波才会与自己发生干涉相长或干涉相消。因此我们可以得出一个可以说得通的结论：每一个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。实验者可以有所选择，可以不在C上放置任何装置（图a），此时，测量D1、D2的计数显示出每个光子的运动轨迹。但也可以在C上放置一个半透半反镜（图b），可以说明每个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。

这个到现在听起来都还蛮正常，现在我们来看一个完全不合经典逻辑的效应，量子力学的延迟选择。假设我们可以把光源打开仅仅1纳秒的时间（1秒的十亿分之一）。在这么短的时间内，光源可以发射出几十个光子，之后操作者停下来几纳秒，想想接下来要做什么。由于一个光子在一纳秒的时间里只能运动30厘米。当实验者做出决定时，当初那些从光源极短脉冲中发射出的光子已经离开BS1很远了，当这个系统比较大的时候，这时它们到C还是可以有点距离的，新的决定做出来之时它们还可以在途中。假设实验者决定搞清楚每个光子所走的路径，在C处什么都不放（图a），然后统计左右两侧的探测器记录的到达光子数，这时每个探测器应该各记录下一半光子。这表明实验者做出决定的时候，每个光子已经被“交给”了各自的路径，要么通过M1C，要么是通过M2C。假设实验者改变决定，当每个光子恰好处在自己路径上之后，想看看是否每个光子都同时处在两条路径上，将半透半反镜放置在C上（图b），这时所有光子都会奇迹般地抵达D1的探测器。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。

我们还可以再做一件事，把半透半反镜留在C上，并放置一个障碍物，比如一个高速开关，挡在M2到C之间的路上，看看会发生什么。现在没有光子能通过M2C这条路径，所有到达C的光子都一定是通过M1过来的。此时两个探测器发出的嘀嗒声频率相同，每个从M1到达C的光子都有50％的机会直接透射到D1，还有50％的机会被反射到D2。干涉消除了，光子再次成为沿着特定路径运动的单个粒子。这样，当开关开着的时候，D2没有计数，所有的光子都因为干涉相长跑到D1。当开关关着的时候，D1、D2各有50%的计数。问题是，我们并没有要求开关是什么时间关闭的。我们关掉开关的时间是可以选择在光子已经被交给各自路径之后但即将从C出来前。光子走哪条路是本来在光子从BS1出来之后就应该确定了的，但现在居然光走哪条路可以在光子经过BS1之后再确定。量子力学是允许的！(www.xing528.com)

图2–13 用手套测试来表达贝尔不等式

图2–14 由于引力的存在，从几亿光年以外射出的光也可以有两条路径形成类似的干涉仪，而后选择允许我们现在来决定几亿年前光以怎样的方式走哪一条路径

如果量子力学允许这样，这个实验能在实验室内进行，那么在更广泛的时间尺度里也一定能进行。正如约翰·惠勒（John Wheeler）所说，延迟选择没有理由不能在宇宙的尺度上进行。我们可以构架一个更宏伟的干涉仪，考虑一下从遥远类星体发射出的能够抵达地球的光有两种可能路径，光可以在星系B附近传播然后被偏转，比如说向左偏转，使其射向地球，光因为引力偏转现在已经广为接受并能经常观测到。比如光在星系B附近传播并被偏转，向右偏转使其沿另一条路径射向地球。如果一位天文学家将望远镜对准了星系A，他会看到在该星系附近通过的那些从类星体发出的光子。如果观察类星系A’，天文学家就会看到类星系A’附近通过的那些光子。理论上沿着两条不同路经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，这与前面的光子干涉仪的情况类似。天文学家可以在光离开类星体数十亿年之后才决定是否寻找特定路径或者两条路径之间的干涉而得到相应的结果。做这个实验的现在决定了几十亿年之前发生的事情，这太诡异了，但根据量子力学，这却是事实。

我们习惯的因果关系，前因后果，现在的事件是受着过去的事情影响，这是正常的顺序，是因果关系。而量子力学的结果告诉我们，因果论是值得怀疑的。从这个实验看出来它可能出现了问题，未来的事情可以影响现在的状态。从科学体系上来说，我们曾经所努力得到的一种和谐，物理世界的规律也同样适用于整个世界的规律，不应该这个领域里面因果论是存在的，换一个领域因果论就是有问题的。因果论的问题同样表达在爱因斯坦的量子纠缠问题上，它的不合逻辑在EPR佯谬里被提出来。只不过EPR更强调空间域里违背相对论，而这里说明的是它在时间域里也违背了相对论，而爱因斯坦对相对论的坚持在于它完美地符合因果论，这是经典物理学的基本信条。