双缝干涉实验之量子力学解释
李敬超 (031001028) 山东大学物理与微电子学院
摘要

双孔实验是量子理论的核心实验,它包含着量子力学的最神秘之处。本文对双孔实验及其后续实验的现象进行了深入地分析和讨论,并由此引出了量子理论中对此实验现象的两种最基本的解释:哥本哈根解释和平行世界解释。最后,文章阐述了作者对世界真实性的思考。
关键词
量子力学  双孔实验  粒子  波  哥本哈根解释  平行世界解释  真实性
引言
“量子理论的基本成分是双孔实验,因为它绝不可能用经典的方式去解释,它位于量子力学的核心位置。实际上,它包含着所有量子力学的唯一神秘之处,……基本奇异现象。”
“事实证明,量子力学中的任何其它情况都可以这样解释:‘你记得双孔实验的情况么?它们都是一样的。’ ”
——理查德·费曼
双孔实验
如图1所示:一束光通过带有双孔的屏会在观测屏上产生明暗相间的干涉条纹,这就是我们熟悉的双孔实验。
            图1
实验的细节是这样的:假设在一张屏上有两个小孔(双缝也可),在它的后面是另外一张屏(观测屏),上面装有某种探测器,能以某种方式记录屏上的结果。在具有小孔的屏的另一侧有一个光子源。当光子通过两个小孔飞向观测屏后,我们可以看到观测屏上的光强分布如下:
            图2
但是,前面费曼的话似乎在告诉我们:这个实验所包含的内容远不只如此。那么双孔实验中的神秘之处究竟在哪里呢?
让我们来看下面的两种情形:

1、粒子的情形
现在我们用日常生活中的大粒子来做实验:例如你将沙子扔向带有一个跟沙子颗粒大小差不多的孔的屏,你会在屏的后面看到沙子呈现中间密集两边稀少的状态分布。如果你将沙子扔向带有两个这样孔的屏,你会在观测屏上看到沙子集中在两个孔后面的区域内。也就是说,当两个孔同时打开时的强度是两个单独的强度之和:I=I1+I2。本式中I1相当于H2,I2相当于J2(H和J分别用来标志两波的幅度),没有相互作用项。
我们的结论:沙子没有产生干涉现象。

2、波的情形
如果你用波来进行相同的实验,例如水波或者光,你会发现对于单孔,波的分布图样与粒子基本相同,但是对于双孔,波会产生明显的干涉图样。波在通过双孔的时候,不但有跟每个孔相关的项,还有一个是两个波叠加时相互作用的项。也就是说,当两个孔同时打开时的强度不是两个单独的强度之和(平方和),而是两个强度和的平方:I=(H+J)2。
我们的结论:只有存在相互作用,才能发生干涉。

单光子干涉及其后续实验

我们都知道的事实是:如果将光子一个一个地射向双孔屏(请注意:是一个一个地),起初观测屏上会出现不规则的亮点,但是随着时间的流逝,屏幕上最终会呈现明显的干涉图样。

目前已有实验可以证明:如果我们在1000个不同的实验室中做1000个全同的单光子双孔实验,然后将这1000个结果叠加,我们仍会得到干涉的整体分布图样,就像我们在同一个实验中同时使用1000个光子一样。
那么,我们就会想到:

单个光子不可能发生相互作用,更不可能跟世界上其他实验室中的光子发生相互作用。那光子在跟谁干涉?它是在跟自己干涉么?一个光子是否能同时通过两个小孔呢?

为了检测光子是否同时通过了两个小孔,我们在两个小孔上都安装探测器。如果两个探测器同时发出响应则说明光子同时通过了两个小孔。

但实验结果是,两个探测器从来没有同时响应过,说明在任何时刻光子都只通过了一个孔。
且慢,这时再看一下屏,干涉图样消失了!

神秘之处
这样,费曼的话实际上是在说,光子在没有与任何东西作用的情况下发生干涉,而人的观测又对实验结果产生了影响,这正是量子力学的神秘之处!

那么对于单个光子究竟发生了什么,以至于会产生干涉图样呢?

我们的测量又对光子究竟产生了什么样的影响,致使在安装上了探测器之后干涉图样就消失了呢?

哥本哈根解释

在1927年,玻尔在意大利科摩的一次演讲中提出了互补的思想,这一思想在后来被人们称为“哥本哈根解释”。他指出,在经典物理当中,不管我们是否正在进行观察,我们所认为的由相互作用的粒子所构成的系统都具有某种特定的功能;而在量子理论当中,观察者和系统之间存在着相互作用,这种相互作用已经强到我们不能认为系统可以离开观察者而独立存在。就像不确定关系中所说的,如果我们想精确的测定位置,就必须是粒子的动量变得更加不确定,反之亦然。没有任何一个实验可以同时揭示出粒子性和波动性。

在双孔实验中,哥本哈根解释是这样说明的:光子在离开发射源之后就会立即消失,从而被一系列鬼光子所取代,这些鬼光子通过不同的路径到达观测屏。这些鬼光子之间相互作用,当我们察看观测屏时,就会发现相互作用的迹象,即使我们一次只释放一个“真正的”光子也是一样。然而,这些鬼光子只能描述在我们没有进行观察时,这些鬼光子就只剩下一个,其余的全部消失,剩余的这一个因而转化为一个真正的光子。根据薛定谔波动方程,每一个“鬼光子”相应于一个波,或者说一个波包。玻恩用这个波来测量几率。将一个鬼光子从一个潜在的光子列阵中具体化出来的观察都是等价的。根据波动力学,除了描述真正电子的那个波包之外的所有几率波全部消失,这称为“波函数的坍塌”。在我们观测(用观测屏或者探测器)的时候,观测本身就会使波函数坍塌,随着波函数的坍塌,这些鬼光子就会凝聚成一个真正的光子。波函数的坍塌是哥本哈根解释的核心,也是量子理论的正统解释。

哥本哈根解释的关键在于波函数的坍塌,而使波函数坍塌的唯一方法是人对系统的观测(如觉注:根据冯诺依曼的数学推论,导致波函数坍塌的只能是人的意识),这一活动是系统从其可能性中选取一个成为现实。这实际上在哲学意义上带来了一些困难。

推测:如果这个世界没有了观测,就没有了真实的世界。剩下的是许多个鬼世界(如觉注:鬼世界不是一种很恰当的描述,比较准确的描述叫做抽象空间或者抽象宇宙)

更严重的是,只要我们一停止对粒子的观察,不管我们正在观察什么,这个粒子就立即劈裂成一个鬼粒子列阵,其中的每一个都沿着它们自己的几率路径通过量子世界。只要我们一停止观察,它就不再是真的。也就是说:没有什么是真实的,除非我们去观测(如觉注:意识的观测是导致电子变为真实必须的一个条件,有了意识的观测,才能有电子本身,此有故彼有,识缘名色)

平行世界解释

作为量子力学的另外一种解释,平行世界解释否认鬼光子、鬼世界的说法,取而代之的是许多个平行的真实世界。这些世界可能有无穷多个,他们以某中方式存在,与我们自己的宇宙平行,但永不分开。
量子力学的平行世界解释起源于20世纪50年代普林斯顿大学一位研究生休·埃弗雷特的工作。他的工作得到了约翰·惠勒的鼓励。而且惠勒也在庆祝爱因斯坦百年诞辰的学术研讨会论文集《均衡当中的一些奇怪现象》②中队“供人分享的宇宙”这一概念进行了最清晰的探索和最详细的讨论。他们认为:如果说哥本哈根解释是正确的,那么当一个消息从一个人传到多个人的时候,在此过程中,波函数发生了一系列的坍塌。消息以这种方式在整个宇宙中传播,直到整个宇宙处于一种波函数相迭加的状态,可供选择的现实只能坍塌到被观察时所看到的那个世界。但是这时就出现了一个难以解释的问题:谁来观察这个宇宙?而平行世界解释是:整个宇宙迭加的波函数和相互作用所产生的在量子水平上可测量的干涉的选择性现实并不会坍塌。它们中的每一个都是同样真实的,在“超时空”内“自己”的那一个世界中存在。当我们在量子水平上作一次测量时所发生的事情就是观察过程迫使我们从这些可供选择的项中选择一个,这一个被选择的就是所谓的“真实的”世界。观察活动切断了将各种可供选择的现实连接在一起的纽带,并允许他们在“超时空”中以各自独立的方式运动。每一个可供选择的现实都包含它自己的观察者,一个“真实的”观察者在观察的同时使自己成为“每一个可供选择的现实”中的某个观察者,他可能会获得很多不同“答案”中的任何一个,于是这个真实的观察者就认为是自己将波函数坍塌成一个

独立的量子选择对象。但事实上并非如此。

在这种解释中观测的意义在于:在观测的同时,我们选择了世界,这个或者那个,但是所有的世界都是真实的。
量子力学与真实性
不论是哥本哈根解释还是平行世界解释,带给我们的都是不可思议的世界图像。同时也是我们目前所能认识的最好解释。

不论是不真实的世界还是多个真实的世界都是对我们经验的巨大挑战和对传统哲学的严重冲击,这也正是量子理论的神秘之处。
最后,我的希望:量子力学、引力理论与相对论的统一,将带给我们对世界与真实性的全新认识,也是下一个100年里我们物理人所共同努力的方向。

[注释]
①《物理定律的特征》第130页。
②哈里·沃尔福主编。
参考文献
1、约翰·R·格利宾:《寻找薛定谔的猫》,海南出版社2001年4月出版。
2、戴维斯.:《原子中的幽灵》,湖南科学技术出版社1996年1月出版。
3、陈鄂生:《量子力学基础教程》,山东大学出版社2003年9月出版。
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