量子世界的全部奥秘
量子世界的全部奥秘
双缝实验是量子力学中最著名的实验之一，它揭示了光和物质的波粒二象性，引发了关于量子世界的深刻思考。从19世纪初提出至今，这个简单的实验装置不断被改进和完善，成为理解量子力学核心概念的关键。本文将带你深入了解双缝实验的历史、原理及其引发的科学争论。
这个实验被称为双缝实验，在19世纪初被提出，最初的目的是挑战牛顿对于光的本质的看法。20世纪60年代，理查德·费曼对双缝实验大加赞赏，称它包括了量子世界的全部奥秘。很难找到一个比它更简单同时又更精巧的实验：双缝实验的原理连高中生都能理解，但它的内涵却深邃无比，连爱因斯坦和玻尔都没能参透，这个实验引起的困惑直到今天都没有得到解答。
费曼称双缝实验体现了量子力学的“核心奥秘”。光在这个实验里表现出了波的性质。
现在让我们想象，如果每次只发射一个光子会怎么样？这样一来，结果就真正开始令人困惑不解了。让我们假设手头正好有这种光子发射装置。这样一来，我们让每一个光子都穿过狭缝，而且保证每次实验的整套装置内都有且仅有一个光子。所有的光子都将击中远处的光屏，并在上面留下一个光点。如果让足够多的光子落到光屏上，直觉告诉我们，光子应当会像沙粒一样分别落在两道狭缝的正后方。光屏上不应该出现干涉图案。但我们的直觉是错误的。结果是，虽然每一个光子的落点似乎都是随机的，但当打在光屏上光子的数量足够多时，光屏上总会出现明暗交替的条纹。假设每个被光子击中的位置都会留下一个黑点，大量光子的撞击在光屏上形成了黑色的条带，随着实验的进行，明暗相间的条纹会逐渐显现。
即便每个光子在发射的时候都是单个的粒子，我们在光屏上检测到的也是单个的粒子，干涉条纹也依旧会出现：这个实验结果似乎意味着，从发射后到检测前，每个粒子在这段时间内都表现出了波的性质，而且以某种方式同时穿过了两道狭缝。如若不然，我们该如何解释最后看到的干涉图呢？
或许答案并没有那么复杂：光子就是一种粒子，且只能从两条狭缝中的一条穿过。与此同时，有某种我们目前的标准理论还无法解释的东西同时穿过了两条狭缝，波动性正是由它表现出来的。如果真是这样，那这种东西会是什么呢？
越来越多的证据显示，大自然就是对这种时而像波、时而又像粒子的性质情有独钟。
1924年，路易·德布罗意在他的博士论文里将这种二元性质扩展到了物质粒子上，并提出了一种更符合直觉的解释，来说明为什么电子的轨道是量子化的。德布罗意说，爱因斯坦提出的波粒二象性不仅适用于光，也适用于一切实体物质。因此，我们既可以把电子看成波，也可以把它看成粒子。对原子也一样。
大自然在这方面似乎是一视同仁的：一切事物都兼具波动性和粒子性。
玻尔想把波粒二象性（认为自然有两副面孔，但每次只会向我们展现其中一面）作为认识和理解现实的关键；而海森堡则“选择相信自己刚刚构建的数学表述形式”，他只以这个表达形式推导出的意义为准，而不会提前对现实世界做任何预设。
他们都为解释实验现象而头疼，比如怎样合理解释双缝实验的结果。
海森堡发现了不确定性原理。量子力学的表述形式包含了成对的可观测量，比如粒子的位置与动量，尝试提高其中一个量的观测精确性势必会导致另一个量的精确性下降。因此，知道了一个粒子的精确位置，那我们对它的动量就会一无所知，反之亦然。这种此消彼长的关系同样适用于其他成对的可观测量，比如能量和时间。
与此同时，玻尔比以往任何时候都坚信，一种被他称为“互补原理”的原理在量子力学中占有至关重要的地位。互补原理认为粒子性和波动性是现实世界的两个互补的方面，只不过我们选择性地用实验揭示了其中的一面，而且我们永远无法看到现实同时展现出这两面。玻尔认为互补原理适用范围更广，不确定性原理只是互补原理的结果和表现之一。
发生在第五届索尔维会议上的争论是推动范式转变的契机。玻尔、海森堡和泡利据理力争，他们的主张后来被称为量子力学的哥本哈根诠释。
玻尔和同人们开始扩展并丰富哥本哈根诠释——连同它看待大自然的反实在论视角。以双缝实验为例，哥本哈根诠释对粒子穿过整套实验装置的路径只字不提，有人甚至否定了这种路径的存在。
物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）是第一个在双缝实验里成功使用单光子光源的人。彼时的量子物理学已经走过了半个多世纪，阿斯佩的双缝实验堪称承前启后的历史性壮举，它既为过去几十年的理论研究提供了可信的实验证据，又为将来更复杂的同类实验奠定了基础。
以马赫–曾德尔干涉仪为例。根据哥本哈根诠释的数学表述形式，在任何一个探测器被触发、指示光子的到来之前，光子一直处于两种状态叠加的状态：沿其中一条光路前进和沿另一条光路前进。哥本哈根诠释称这个光子的波函数也处于两种状态叠加的状态，它们分别是波函数沿其中一条光路的演化和沿另一条光路的演化。我们可以利用波函数计算光子出现在D1或D2的概率，在两条光路长度相当的情况下，二者的概率正好是1和0，而路线长度的微小改变会引起这两个概率的变化。
量子力学的标准看法是，光子没有明确的位置，除非受到测量，不然波函数会一直弥散在整个空间内。正是D1或D2探测器的测量导致波函数“坍缩”成了一个确定的值：光子出现在其中一个探测器内。
虽然哥本哈根诠释并未诉诸人类的意识，但它却离不开经典的测量。根据该诠释的推论，波函数是充分且完备的，它可以包含一个系统的全部状态。而鉴于波函数只允许我们计算一个系统在受到检测时有多大的概率处于某种状态，而不能告诉我们其他的事实（比如光子的精确位置），哥本哈根诠释的结论是，如果不用经典的设备进行测量，那就不存在任何有意义的现实。
爱因斯坦和薛定谔都对这种反实在论观点深感不安。
量子力学要求我们放下怀疑，在认识现实时忍受某种违背直觉和常识的观念，只有坚持足够长的时间，才有可能体会到诡异的亚原子世界有多玄妙。如果叠加态不存在，我们就无法解释单光子双缝实验里的干涉现象。
量子力学的标准表述形式都导致我们不可能直观地想象每个光子具体的行进路线，因为没有计算运动轨迹的公式。量子力学的哥本哈根诠释坚持认为，光子的运动轨迹并不存在。事实上，它认为“路径”这个概念就没有意义，就像原子核周围其实也没有真的电子轨道一样。如果说实在论认为这个世界是客观存在且性质明确的，并不依赖于我们的认知，那么从这个角度来看，哥本哈根诠释确实是一种反实在论。按照它的说法，我们能够明确谈论的对象仅限于通过测量被揭示的事物，探讨除此以外的任何东西都是没有意义的。
2005年，阿斯佩有了非常精密的点状光源，所以他造了一台臂长达到48米的干涉仪：这个光程长度让他们在光子离开第一个分束器后有足够的时间间隔添加或移除第二个分束器。
而他们观察到的实验结果是，光子不会被愚弄。只要没有第二个分束器，光子就表现出粒子性，否则就表现出波动性，这与第二个分束器是什么时候放入的没有任何关系。
爱因斯坦没能活着看到这些实验，所以我们不知道当他看到越来越多认可标准量子力学的人开始意识到现实具有非定域性时，究竟会做何反应。他曾在1947年3月3日写给马克斯·玻恩的信里说：“它（量子理论）始终不能令我信服，因为物理学应当反映时间和空间中的现实，而不是某种幽灵般的超距作用。这个理论与这种想法格格不入。”1955年，爱因斯坦去世。
莫德林解释了为什么量子纠缠和非定域性的证实会让双缝实验变得比当初的波粒二象性更耐人寻味。他用双手模拟了波函数一分为二的过程，其中一部分穿过一条狭缝，剩下的部分穿过另一条狭缝。随着这两个部分从狭缝的另一侧向外弥散，它们各自演化，互不干扰，直到最终发生干涉。为了计算粒子在离开双缝后出现在某个位置的概率，我们需要把两个波函数进行线性叠加。假设这个复合波函数落到了一块感光板上，也就是粒子击中了感光板上的某个点：它变成了定域的事件。但是在感光板其他所有概率不为零的光子落点上，却没有任何事情发生——这些全都是同时的非定域性事件。一个粒子接一个粒子不断重复相同的过程，感光板上就会出现干涉图样。对双缝实验的标准分析通常会强调，这种图样象征着量子力学的神秘。
双缝实验体现的不只是被费曼称为“中心谜题”的波粒二象性，还有量子纠缠。自从物理学家认可了这一点，众多经过改良的双缝实验便开始涌现，引导我们逐步深入神秘的量子世界。延迟选择量子擦除实验正是其中之一。
在新墨西哥大学任职的斯库利与远在德国慕尼黑的博士后凯·德吕尔（Kai Drühl）合作，共同提出了量子物理学中最著名的思想实验之一——量子擦除。“相比杨的（双缝）实验，量子擦除在质量上、概念上和精巧性上都更胜一筹”。但就内核而言，量子擦除实验依然是双缝实验的一种变体，只是更复杂和精巧而已。
斯库利和德吕尔抓住了爱因斯坦和玻尔争论中的一个关键点：实验本身是否会干扰量子体系，导致测量的结果表现出互补性。在与爱因斯坦探讨量子力学的早期阶段，玻尔曾提出正是不确定性原理导致了我们无法同时看到现实的波动性和粒子性。经典的测量方式过于粗糙和笨拙，用这种方式永远只能测出其中一种性质，而不确定性原理是这一切的幕后推手。但阿斯佩通过将惠勒设想的延迟选择实验变成现实，证明了即使我们排除测量设备（也就是不确定性原理）的干扰，量子体系的互补性也不会消失。互补原理比之前人们认为的更加深刻。而斯库利和德吕尔想做的研究把这个问题再次推向了新的深度。
他们设想在不干扰粒子的情况下，收集关于它从哪条狭缝中穿过的信息。我们让粒子按照原本的方式行动，但它还是会留下某种信息，反映自己究竟穿过了哪一条狭缝。可是根据量子力学，只要有这种反映行迹的信息，粒子的干涉图样就会消失。斯库利和德吕尔可能觉得这种现象还不够令人疑惑，所以他们提出了一个更深奥的问题：要是我们把这种信息擦除会怎么样？干涉图样会因此重现吗？
他们试图用这个思想实验完善量子物理学对测量的定义。他们不关心意识，也不在乎它扮演了什么角色，他们只想知道测量更准确的含义以及坍缩的本质。他们提出的问题之一是，测量本身是否也可以具有量子性。
关于擦除实验，最令人惊异的事实之一是：擦除路径信息这个动作不仅可以延迟发生，而且无论延迟多少时间都没有关系。通常而言，实验中的系统光子几乎是瞬间击中光屏，它的落点随即被记录下来。而环境光子却不然，我们可以让它们飞行很长的距离，乃至数千米，然后穿过各种各样的分束器，最后再触发探测器。如果我们在所有环境光子仍处于飞行状态的时候对所有系统光子的落点进行分析，就不会看到干涉的现象（因为从理论上说，我们此时仍有可能获取光子的路径信息）。
量子力学不仅要求我们摒弃三维空间内的定域性，它还要求我们放弃时间的概念。我们的常识认为，发生在特内里费岛上的事相对更晚，对系统光子的测量早在环境光子到达特内里费岛之前就彻底完成了，可即便如此，特内里费岛上发生的事却依旧影响了拉帕尔马岛上的测量结果。
认为波函数会发生坍缩是哥本哈根诠释的核心信条之一，从表面上看，坍缩的发生是因为我们用经典设备对量子体系进行了测量。这种测量被认为是不可逆的，这意味着量子世界和经典世界之间存在某种分界。量子擦除实验迫使我们反思“测量”（以及“坍缩”）的概念、它的构成要素，以及量子–经典分界线是否真的存在。
以加那利群岛实验中的环境光子为例，它包含了系统光子穿越干涉仪时的路径信息。在特内里费岛上测量环境光子需要用到硅制的雪崩光电二极管，这种元件能把单个光子的信号转化成数十亿个电子的电信号。科学家称，系统和环境光子对的波函数正是在这个时间点上发生坍缩的。
不过，由于至今没有任何实验揭示过坍缩过程实际的物理变化，所以我们不清楚坍缩究竟是什么意思。我们在实验中所做的仅仅是测量以及预测各种结果出现的可能性，如果某种概率在相同的实验中得到了反复的验证，我们就认为这些实验对象发生了坍缩。但它真的发生了吗？
零作用实验凸显了坍缩引发的令人困惑的概念问题。韦德曼认为所有宣称测量会引起波函数坍缩的理论都不可能是正确的，零作用测量就是清晰的佐证。
1952年，博姆在《物理评论》上发表了题为《试从“隐藏”变量的角度诠释量子理论》的重磅文章。博姆曾说隐变量理论不可能在量子力学的概念框架下成立，可他自己却成了世界上第一个清晰阐述这种理论的人。他的论文还明确推翻了约翰·冯·诺伊曼的证明：建立一种既能解释量子物理学实验的观测结果，又符合实在论和决定论的隐变量理论其实是可能的。
博姆的理论是一种彻头彻尾的本体论：这个世界由粒子和波函数构成，虽然波函数并不像粒子那样具有实实在在的“物理”实体，但它们依旧是大自然真实、客观的一部分。粒子的位置从来都是明确的，因此它确实有运动轨迹，这完全违背了哥本哈根诠释的实在观。粒子受了波函数的“引导”，因此粒子不仅被普通的力（比如电磁力）影响，还受到了“量子势”的影响——这是一种新的力，来自粒子与波函数之间的相互作用。
不仅如此，这个理论还符合决定论：只要知道粒子当前的位置和它的波函数，我们就能准确预测它在某个时刻的位置。更值得强调的是，粒子的运动轨迹是客观的：无论有没有观察者，这条轨迹都真实存在。
那隐变量又是什么呢？在博姆的理论中，饱受诟病的隐变量不过就是粒子的位置。对认同博姆理论的人来说，这种显而易见的性质居然被称为“隐藏”是一件相当讽刺的事。粒子的位置之所以会变成隐藏变量，仅仅是因为它没有出现在量子力学的标准表述形式里——它是一种不“观测”就看不见的变量。
“科学哲学取得的许多进展都来自证明原来被认为互不相关的理论只是看待同一个事物的不同角度而已。”将同样的道理用到量子力学中，我们就会得到一些出人意料的深刻洞见。
量子世界的奇特表现或许起源于更深层次的现实，相互作用多世界理论正是这种解释的一个实例。不过，怀斯曼当然没有断定这就是量子世界里发生的实际情况，这只是一种有益的尝试，目的是说明我们有无数种解释量子现象的方式，只不过其中一些比另一些拥有相对更坚实的数学基础。没有哪一种方式是完美的，它们都有自己的问题，比如哥本哈根诠释有测量问题，博姆力学可能与狭义相对论相悖（更别提有些人对隐变量深恶痛绝），坍缩理论中那显得极其刻意的随机坍缩，以及埃弗里特的多世界诠释不知如何解释概率。
这些理论和诠释在分析量子世界时的侧重点各不相同，我们可以根据不同的标准对它们进行分类。
以是否属于决定论为例，德布罗意–博姆理论、埃弗里特的多世界诠释以及怀斯曼的相互作用多世界理论都属于决定论，而哥本哈根诠释和坍缩理论则不属于。量子贝叶斯理论并没有提到现实世界是确定还是不确定的。
那实在论呢？德布罗意–博姆理论、坍缩理论、多世界诠释，还有相互作用多世界理论都属于实在论。但哥本哈根诠释不属于。量子贝叶斯理论是一种实在论，但它特别指出波函数并不是现实的一部分。
尽管就目前而言，玻恩定则的准确性已经经受住了相当大的考验，但实验学家仍然不依不饶
。只要他们能证明玻恩定则需要修正，这就在现有的量子理论上打开了一个豁口，给理论学家提供必要的线索，以构建一种能够正确认识自然的量子力学。验证玻恩定则的实验也证明，双缝实验这套简单的实验装置始终蕴藏着某种驱动现实的核心法则。
正如费曼在康奈尔大学的讲座中所说：“事实证明……量子力学里的所有情景，都可以用事后的一句‘你还记得那个用双孔做的实验吗？’来解释。”物理学仍未参透双缝实验。这个实验尚未了结。