杨氏双缝和“薛定谔猫”

杨氏双缝和“薛定谔猫”

量子系统的“叠加态”是令人费解的现象之一。一个电子、一个光子或一个量子体系可以同时处于两种或多种状态的叠加态之中。正因为状态叠加引起的不确定，使我们在谈及一个电子时，不能准确地说，这个电子是“在这里”或“在那里”，“是这样”或“是那样”，而只能说“可能在这里又在那里”，“可能是这样又是那样”，如果不接受这一新概念，就不可能理解量子叠加态现象。以经典的视角看待这一现象，就称它们为“模糊性”或“不确定性”，而这种“模糊性”或“不确定性”正代表了量子世界的“真实”。

在此不得不再次提起杨氏双缝（或双孔）干涉实验，因为几乎没有什么能比这个实验更能显示出量子现象的“模糊性”和“不确定性”。正因如此，杨氏双缝实验也一度成为爱因斯坦与玻尔所代表的量子力学两派争辩中的焦点之一。［8］

1801年，英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）成功地完成了光的双缝（或双孔）实验，这一实验证实了光是一种波，从而改变了人们当时对光是粒子流的看法。

托马斯·杨生于1773年，卒于1829年。杨自幼就是一个特别聪慧的孩子，据称他两岁时就能阅读，6岁时已经读完两遍圣经，并学会了拉丁文。19岁之前，他就能熟练地应用13种语言，除了母语和拉丁文，还有希腊文、法文、意大利文、希伯来文、迦勒底语、叙利亚语、撒玛利亚语、波斯语、埃塞俄比亚语、阿拉伯语和土耳其语。此外，他还学习了牛顿的微积分、力学和光学，学习了拉瓦锡化学元素理论，还通晓戏剧，研究过法律和政治学。他先后到伦敦、爱丁堡和哥丁根拿到了几个学科的硕士学位。1794年，年仅21岁的杨破格入选为英国皇家学会会员。在接受叔父留下来的一笔遗产之后，他又开始从医，虽然没有成为一名成功的医生，但这个职业使他有机会接触各种实验。他所完成的最重要的实验，也是他对物理学最大的贡献，就是著名的双缝（或双孔）实验，又称杨氏双缝（或双孔）实验，这一实验成功证明了光的波动性。因这一实验，杨一举成名，并引起物理学界的轰动，自此结束了光是粒子还是波的世纪之争。此后，法国物理学家菲涅尔（Fresnel）等人，在双缝实验的基础上，进一步圆满地解释了光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和双折射等现象，由此建成光的经典波动理论。

1920年至1930年期间，量子力学取得了飞速的发展，特别重要的成果就是光的波动和粒子二象性被量子力学理论所统一。以波动性为主的薛定谔的波动力学与以粒子性为主的海森堡矩阵力学的统一，从量子理论的角度再次证实了光的双重性质。随着量子力学的发展，在对二象性、量子性、确定性、因果性、局域性等一系列概念的认识上，经典物理学遭到一系列冲击，引起了一波又一波的争辩，在这种情况下，令人没有想到的是，200多年前的杨氏双缝实验又焕发了青春，它在量子力学领域再度显现出其重要的作用。

20世纪50至60年代，费曼把双缝实验用于电子束，证实了电子的波动性，这一实验被记录在他的讲稿《费曼物理学讲义》［9］中。费曼非常有先见地指出，双缝实验将是揭示量子力学最神秘也是最基础性特征的一个重要实验［10］。如图4所示。

从20世纪50年代起，有人开始以非常弱的光重复杨氏实验。他们使入射光弱到一次只有一个光子通过双缝，经过长时间的观察，依旧在屏幕上看到了双缝干涉的条纹。1988年，日本物理学家外村彰（A.Tonomura）和他的合作者实现了一次只有一个电子入射的双缝装置，经过长时间观察，依旧得到了清晰的电子波的干涉条纹。单个电子和光子的双缝实验展示出量子力学的神秘性。在《费曼物理学讲义》第一章的第一页，费曼明确指出：“这个现象不可能，也绝对不能以任何经典的方式做出解释。”接着他又说，“它们所具有的神秘性，显现出量子力学中最为核心的性质。”［11］

费曼所说的“神秘性”就是指，该如何用光子或电子的“粒子性”来解释杨氏双缝实验。当一个光子入射到双缝上时，它是如何穿越两条缝的呢？难到它也能“分身”吗？即便它“分身”通过了双缝，它能“自己和自己”发生干涉吗？当“分身”后的“一半”落在屏的某个位置时，它的“另一半”又是如何“知道”该在哪一点上找到自己的“另一半”呢？这些问题都是用经典概念所不能解释的，这也正是爱因斯坦以这个实验向量子力学发起挑战的关键所在。

继续做这个实验还会发现一个更为奇异的效果。当堵住双缝中的任意一个缝时，也就是令一个电子（或一个光子）只通过一条缝时，观察屏上的干涉花纹就会立即消失。仔细一想，这里又会出现另外一个问题，电子（或光子）在通过一条缝时，它是如何“知道”另一条缝是“开”还是“闭”呢？如果把电子（或光子）视作一个简单的粒子，它在穿越一条缝时，另一条缝是“开”还是“闭”应该与它自己的穿越毫无关系，但是实验结果却不是这样，当把另一个缝再度打开时，它到达屏上的行为将立刻发生变化，干涉花纹再度出现了！(https://www.daowen.com)

1949年5月，薛定谔接受英国广播公司《自然科学的开拓者》节目采访，谈话的题目很有意思，叫做“电子可以思考吗”，其中谈到了微观世界的“自由意志与机械因果论”。他承认，就电子水平的物理世界，机械因果律已经不再适用，他说：“这表明电子除了‘自身’以外，它还‘知道’世界上更大范围的事。”也就是说，电子不仅“知道”实验用的是一条缝还是两条缝，甚至同时“知道”整个实验装置和观察者的意图。［12］

神秘之处远不止于此。从20世纪70年代起，维也纳大学的物理学教授塞林格（Zeilinger）和他的同事把单个中子以2千米/秒的速度入射到双缝上，也成功地获得了双缝干涉花样。在这以后，类似的报道逐渐增多，如20世纪90年代，德国康斯坦兹（Konstanz）实验小组使氦原子一个个地通过1微米宽的金箔双缝，同样得到了干涉花样；麻省理工学院研究组又将这一实验用于钠原子，也获得了成功；以后又有人把双缝实验用于原子团簇，例如由60或70个碳原子组成的巴基球（Buckyball），也同样获得了干涉花纹。［13］

在众多新型杨氏干涉实验中，最具有创意的是1993年由美国巨石城国家标准与技术研究所与得克萨斯大学合作所完成的实验。他们开创性地对双孔做出改进，采用了一对原子当作“双孔”，使单个光子从它们“身上”反弹出来，形成两个所谓的“半个”的光子，然后令它们叠加，居然也同样得到了干涉花样。从托马斯·杨成功地完成了经典光学的双缝实验以来，将近200年的时间过去了，杨氏双缝（或双孔）实验在量子领域又焕发了青春，它不仅揭示了微观领域中诸多粒子的波动性质，也揭示了它们奇异的量子态的叠加特性。

在哥本哈根对量子力学的诠释之中，涉及诸如“不确定性”“波函数的坍缩”“观察者的作用”“观察主体与客体整体论”等一系列概念。这些概念的含义、正确性的依据以及它们的延伸，都给人们带来更多的疑问。其中人们感到最为荒谬的事就是薛定谔提出的一个叫作“薛定谔猫”的假想实验。

1935年，薛定谔发表一篇论文，题目是“论量子力学现状”［14］。在这篇论文里，薛定谔一方面为了反击哥本哈根学派关于波函数的“坍缩”，另一方面也为了给爱因斯坦等人的EPR理论助威，他极聪明地提出了一个关于“猫”的假想实验，这个实验被后人称为“薛定谔猫”。

薛定谔设想，有一只猫被关在密闭的箱子里，箱子里还放着致命的装置，例如一个放射性原子和一个由自动化装置控制着的氰化物的小瓶，当放射性原子发生衰变时，它发出的粒子作用在感应器上，自动装置便把毒瓶打开，氰化物流出来，猫立即被毒死，这是一套诡谲的联动装置，它把“原子放射性”的微观现象与“一只猫死活”的宏观现象结合了起来。［15］

放射性是一个量子事件，原子衰变与不衰变受到几率控制。在这个实验里，放射性原子处于衰变与不衰变的两个叠加态之中，因而使得猫也处于是死是活的两种状态之中。自哥本哈根诠释提出以来，这个“猫”实验成为反击这一诠释的最聪明、最有力也是最为苛刻的假想实验。从1935年这个实验的提出到现在，这只“猫”近80岁了，它仍然值得人们去深思。它叫人们看到，用日常生活经验去看量子现象该是多么奇异，同时它也从另一角度提醒着我们，在量子世界中，“观察”是多么的重要。

令人万万没有想到的是，“猫”实验竟然与古老的双缝实验发生了联系。费曼在他的《物理定律的性质》（Character of Physics）一书中写道：“在量子力学中，你常能看到这种情况……这个现象与薛定谔猫实验一样，其神秘性会叫你想到双孔（或双缝）实验，因此解释猫实验，要从双孔实验说起。这个实验看起来很熟悉，但是当你对它仔细琢磨，就会越琢磨越发现，它所具有的性质非常奇特。”［16］