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物理学家告诉你走近量子纠缠(3):上帝掷骰子吗?
(科学网张天蓉博客,收藏有删减)

​                   走近量子纠缠(3):上帝掷骰子吗?​

​    谁也料不到,爱因斯坦和玻尔这两个年轻人在十几年后成为了物理界的两大巨擎,而且在量子理论的基本思想方面,两人巅峰对决,展开了一场一直延续到他们去世的旷世之争。两人的争论可以概括为一个著名的问题:上帝掷骰子吗?

这首先是一个哲学问题,我们需要了解杨氏双缝干涉实验。

电子双缝实验证实了电子叠加态的存在。2002年的《物理世界》杂志评出十大经典物理实验,“杨氏双缝实验用于电子”名列第一名。费曼认为,杨氏双缝电子干涉实验是量子力学的心脏,“包括了量子力学最深刻的奥秘”。那么,这个实验是如何揭示量子力学中最深刻的奥秘?实验中哪儿出现了神秘的叠加态?它与“上帝掷不掷骰子”又有什么关系?

图1(a)中,点光源发出的光作为一种波抵达狭缝,根据惠更斯原理,波面上的每一点都是一个子波源。因此,经过两条狭缝之后的波,可看作是位于两条狭缝处的子波源所发出的两列波的叠加。波的叠加意味着振幅的也叠加。当两列波到达同一位置时,如果振动方向相同,叠加后振幅增大;反之,如果振动方向相反,互相抵消,叠加后振幅减小。由于叠加后的振动在不同位置的增大或抵消,便形成了屏幕上明暗相间的干涉条纹(图1(a)右边的图案)。图1(c)表示的是光波在屏幕上的强度分布。曲线p是一条上下振动的图像,这对应明暗相间强度变化的干涉条纹。

                                              

​    图1中的(a)和(
c
)说明的都是“双缝实验”的情形,图(b)则是两次“单缝实验”的结果。如果将一条狭缝遮住,就可以分别作两次单缝实验,这两次单缝实验的结果都没有条纹,单缝实验光强度的分布分别由(b)中的曲线p1和p2表示。
​   
因为p1、p2是单缝实验的强度分布,p是双缝实验的强度分布。所以p并不等于p1、p2的简单叠加,它是单缝实验的振幅叠加后的平方。这具有波动的特点,也是干涉条纹的来源。
​   
如果用粒子来作双缝实验,结果又会怎样?由于有经典意义上的粒子和量子力学中的行为古怪的粒子之分,可遵循费曼设计实验,对比一下水波、子弹和电子分别通过双缝时的不同行为:
​   
水波的情况如前所述,由图1表示。
​                     

     用子弹(经典粒子)进行双缝实验的结果如图2。设想用一挺机关枪向狭缝扫射(图2(a)),子弹的发射服从经典概率统计规律。一粒一粒发射子弹,在穿过狭缝到达屏幕的子弹中,通过两条狭缝的几率各是50%,如果打到屏幕上的每个子弹形成一个亮点,发射一定数目的子弹之后,屏幕上就有了一个亮点聚集而成的图像(图2(a)右)。这个图像不同于波动的情形,它不是明暗相间的干涉条纹,而是从中心到两边,亮度逐渐下降的图像,如图2(a)的曲线p所示。
​   
实验中也可以分别将狭缝之一关闭,做两次子彈单缝实验,结果为两条亮度分布曲线,由图2(b)中的p1、p2表示。比较图1(b)和图2(b),不难看出,子弹单缝实验与水波单缝实验的结果相同,但两种情形的双缝实验结果完全不同。子弹双缝实验的结果p是两个单缝实验结果p1和p2的简单叠加,这由概率的叠加性决定。而水波的双缝实验结果是相干叠加,体现水的波动性。
​   
如果用电子(或其它微观粒子)来作实验的结果将是如何?

    先假设类似子弹,用电子枪将电子一个一个地朝着狭缝发射,电子单缝实验的结果如图3中的(b),曲线p1、p2与水波和子弹时一致。然而,电子双缝实验的结果p却是与水波的一样,出现了干涉条纹。这个结果令经典物理学家感到意外,因为实验中的电子和机枪发射子弹一样,是由电子枪一个一个发射出去的。经典物理认为电子是粒子。既然是粒子,它的宏观轨道行为应该和子弹没有实质差别。双缝实验时,虽然两条缝都是打开的,但是每一个电子,应该象一个子弹那样,只能通过其中的一条缝到达屏幕,所得结果就应该和子弹的一样属于非相干叠加。

     
    实验观察结果显示,电子也的确是像子弹那样一个一个到达屏幕的(参看下图所示),对应于到达屏幕的每个电子,屏幕上出现一个亮点。随着发射的电子数目增加,亮点越来越多。当亮点多到不容易区分的时候,接收屏上显示出了确定的干涉图案。这干涉从何而来?从电子双缝实验,我们可以得出一个貌似荒谬的结论:一个电子同时通过了两条狭缝,然后,自己和自己发生了干涉!

    按照量子论的概念来理解,电子这种不同寻常的非经典行为,不就是 “电子处于一种既在A、又在B的叠加态”,电子同时穿过了两条狭缝。作为量子论中的叠加态粒子,每个电子(或光子)好像孙悟空一样有分身术,一个孙大圣到了两条狭缝处就变成了两个大圣,同时穿过了两条狭缝,然后两个真假孙悟空又自己跟自己打起来了(相干),其结果有可能是双赢,变出一个大孙悟空(屏幕上异常明亮),也有可能两败俱伤,真假悟空全死光(屏幕上暗淡的地方)。
​   
双缝实验的结果表明:电子的行为既不等同于经典粒子,也不等同于经典波动,它和光一样,既是粒子又是波,兼有粒子和波动的双重特性,这就是波粒二象性。
​    
             


​   为了观测电子到底是穿过那条狭缝,在两个狭缝口放上两个粒子探测器,这时奇怪发生了:两个粒子探测器从来没有同时响过。可是回头一看屏幕,上面根本再没有干涉条纹呀。物理学家们反复改进、多次重复实验,却只感到越来越奇怪:无论使用什么先进测量方法,一旦想要观察电子到底通过哪条狭缝,干涉条纹便立即消失了!也就是说,电子好像知道设置了抓它的陷阱,便隐身遁形不露面对这种“观测影响粒子量子行为”的现象,叫做“波函数坍塌”。意思是,量子叠加态一经测量就按照一定的概率塌缩到一个固定的本征态,或说回到经典世界。而在没有被测量之前,粒子则是处于“既是此,又是彼”的混合叠加不确定状态。因此,我们无法预知粒子将来的行为,只知道可能塌缩到某个本征态的概率。这种解释使用的基本上是以波尔为代表的哥本哈根学派对量子理论的诠释。换言之,电子具有分身同时穿过两条缝的本领,你无法得知它这功夫究竟是怎么一回事,它只让你知道几个概率,上天派他到人间来掷骰子!
​   
上帝掷骰子吗?霍金说:“上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”霍金之言是肯定的答案,但至今仍然是个悬而未决的问题。

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