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第四章 微观粒子世界 第一节 量子的智慧选择（第1页）

第四章：微观粒子世界第一节：量子的智慧选择

微观世界的粒子具有粒子性和波动性，用来描述量子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

量子实验本身证明了光子、电子或者60个碳分子组成的巴基球的一些不可思议的一面，比如在双缝实验中，一个光子或者电子能够同时穿越两条缝隙，而历史求和表明：量子在传播过程中具有千万个路径。在分光延迟实验中，光子在传播中表现出了智慧性，光子似乎看见有人或者物质挡在光子分光的另一条路径上，于是提前就没有通过该路径。而在电子双缝实验中，当有人在一边放上一个摄像机，试图记录电子传播路径的时候，电子似乎知道有人在看，于是选择了另一种传播方式。摄像机的观察影响了电子的选择，这也正是人类对量子不可了解性之一。让我们看看这几个经典实验，并了解量子的神奇性。

双缝实验

托马斯·杨的光实验的现代版被称为双缝实验。如图016此实验显示，从一个波源发出一列波，这一列波通过开有一对相距很近的狭缝挡板，通过挡板后两条波发生衍射，在挡板后远端区域内扩散开来投射到屏幕上，有的点波峰遇波峰，波谷遇波谷产生干涉相长。有的点在这里波谷将与波峰相遇，从而产生干涉相消。全部的结果就是屏上出现的明暗相间的条纹，这是波动性强有力的证据。如果用电子，60个碳原子组成的巴基球富勒烯（C60）代替光，那么也会出现类似的结果。

单电子双缝干涉实验

如果采取控制手段，单独的一个个发射电子，或者使用弱光源，每次只让一个光子或者电子等（粒子）通过装置，如图018，如图019。

实验装置用微小粒子探测器代替屏幕，可对到达的单电子或者光子进行标记。这种单粒子双缝实验效果如图所示。

（单粒子实验以福特著的《量子世界》为基础资料整理）

这种单粒子双缝实验揭示了量子物理奇异性。在此实验实现之前，玻尔与爱因斯曾经为此争论了几十年。后来随着电子技术和探测器技术的发展，这一实验得以实现，并震惊了所有人，无论他是否是科学家。

这一实验过程是，将电子或者光子一个个向双缝发射，电子（光子）也将在探测器阵列中某一随机点显示。一直持续下去，一个电子（光子）接一个电子（光子）地发射。一开始看起来是随机的，但是发射几十个上百个电子（光子）之后，将开始出现新的现象，大部分电子（光子）的着陆点正是波动理论所预言的干涉加强处（这些着陆点大部分处在挡板的“阴影”处）。

少数电子（光子）出现在波动理论预言的干涉部分相消处，波动理论预言的干涉完全相消处则没有光子到达。随着持续不断，成千上万的光子通过装置后，探测器阵列上将会出现清晰的明暗条纹，与波动理论预设的完全一致。

非常奇怪，人们产生了质疑：是什么导致了这种现象？这个看起来是随机且无法预测的电子或者光子实验，一个个单独发射，但是结果却出现了清晰简单的与光波一样的图样。人们想问：单独的量子（电子或光子）到底是通过哪个狭缝？量子如何“知道”哪里适合着陆，哪里不适合着陆？是什么决定着量子最后选择哪个着陆点呢？为什么就两个量子来说，在理论上是全部相同，但是行为上却并不完全相同，不能同时着陆一点呢？与观测结果和量子理论以及一系列实验相符合的唯一解释是，每个单独的量子从粒子源出发到探测器的过程像波一样运动，每个量子同时通过两个缝，量子产生于一点，探测时也是一点，从量子产生到被探测到之间，它的行为像波，这就是波粒二象性的本质。此外，概率在这一图像中出现了，量子并不知道在哪里着陆，它只知道在不同点着陆的概率，波动理论预言的干涉相长处概率大，波动理论预言的干涉相消处概率小。在这里单个量子同时通过两个缝会发生衍射并且会发生干涉，观测者无论什么时候看一个量子（也就是说探测器，或者你眼睛的视网膜实际记录的光子），它都是一个点。你不看的时候，它就会鬼使神差地像经典理论中的电磁波一样成为波在空间中传播。

当然有条件者，完全可以控制一下节奏，用变化的节奏一个个单独发射这些粒子，看他们的干涉条纹是否与上述结果一样。

电子狭缝侦测实验

为了更好地观察粒子轨迹，科学家把粒子源换成电子发射设备，也会出现以上所有现象，当单个电子发射的时候，电子同时通过了两条缝，与自己干涉。

科学家想知道，电子到底通过了两条狭缝的那条缝，于是如下图020。在一条狭缝放置了一台叫狭缝侦测器的观察设备，当他们开始观察时，神奇的事情发生了，电子开始变得像个小球，穿过一条狭缝，替代显示出的是两个单缝图案的简单相加。干涉图像消失了。电子好像意识到有人观察他，然后选择了不同的路径。

如果粒子源换成光子，也同样如上用狭缝侦测器观测，我们所熟悉的干涉图案，也立刻就会消失不见，转而改变成另外一种图案。

按照一些科学家的假设猜想，使用侦测器这个动作涉及了电子与狭缝侦测器之间的相互作用，这种行为改变了电子（光子）的量子态。假设两个同频率的电子或者光子，在同时间被发射出来，则这两个量子是同调的。将狭缝侦测器关掉，则两个同调量子都会不被干扰地经过狭缝，同调地抵达侦测屏。可是假设我们将狭缝侦测器打开，而两个同调量子之中的一个粒子被狭缝侦测器侦侧到，则由于量子与狭缝侦测器之间的相互作用两个量子不再同调，也不再互相干涉。所以侦测屏的干涉图案会消失不见。根据哥本哈根解释，当我们不去观察量子到底通过了哪条缝，它就同时通过双缝而产生干涉，反之它就确实地通过一条缝而顺便消灭干涉图纹。

近几年来的科学研究更进一步地发现干涉现象并不只限制于电子、光子，还涉及像质子、中子等等这些基本粒子。双缝实验使用大分子构造，像巴基球富勒烯（C60），也能够产生类似的干涉图案。

历史求和

在宏观物理学领域每个物质都有一个明确的痕迹，但是在量子世界里每个粒子没有明确的路径，著名的物理学家费恩曼于是推出历史求和的概念。微观量子世界，从粒子源到屏幕不是没有路径，而是意味着每条路径，如下图：这就是量子世界与宏观牛顿物理世界的区别。这意味着粒子在双缝实验中，可能通过第一道缝隙，然后又穿过第二道缝隙；或者只通过其中一条路径；或者粒子去了广东的一个饭店，回来之前然后又去了南极；或者从地球A穿越B火星、宇宙、再返回。这就解释了如何知道粒子穿越了哪条缝隙。如果只开放一条路径，粒子就穿越这条缝隙，如果开放两条路径，粒子就会两条路径都穿越，然后产生干涉。同时地球A到火星B的粒子路径也是多样的。

这听起来非常奇怪，但是目前来看这就是最合理的解释。

延迟选择