阿斯佩的延迟实验与玻尔的互补原理

阿斯佩的延迟实验与玻尔的互补原理

在20世纪80年代，率先实现惠勒的方案，并成功完成量子水平双缝实验研究的是阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）。阿斯佩是法国奥赛（Orsay）理论与应用光学研究所的一位实验物理学家。他首先成功地完成了惠勒版的双缝实验检验，并在《物理评论通讯》（Phys.Rev.Lett.）报道了这一实验的结果。阿斯佩的延迟实验具有非凡的开创性，成为迄今为止对量子力学基础做出最有决定性意义的实验检验之一。接着阿斯佩又成功地完成了对贝尔理论的实验检验。20多年来，他和他的研究组多次取得了量子水平下的实验检验成果，成为这一领域中的佼佼者。由于成绩卓著，他获得了2011年度的沃尔沃奖，更于2013年10月7日，获得尼尔斯·玻尔金质奖章。

1947年，阿斯佩生于法国西南部的一个小乡村，这里以美酒和文化著称。青少年时期，他热爱物理学和天文学，喜欢夜空观星，也喜爱读书，受到儒勒·凡尔纳的《海底两万里》的吸引，立志要成为一名科学家。24岁时，他在巴黎拿到物理学的学位后，曾花了3年时间自愿到西非喀麦隆做义工。在强烈的非洲阳光下，他一边工作，一边利用空余时间阅读了大量的数学、物理学尤其是量子力学的书籍，他从似懂非懂，逐渐到略有所悟。脱离开他所熟悉的环境，从千篇一律的生活中解脱出来，在陌生的环境里，更刺激和开发了他的独立潜能，从中学会了如何学习。

一个偶然的机会，阿斯佩读到了贝尔的论文，量子力学的神秘性立刻引起了他的好奇。可能是出于物理的直觉，也可能是性格使然，他一下子被量子物理所吸引。从一开始，他就不断地提出怀疑并反复思考，他特别想弄懂的就是量子态的纠缠现象。为此，他又阅读了薛定谔的书，为了弄明白爱因斯坦对量子力学的挑战，他找到爱因斯坦20世纪20—30年代的所有论文，反复研究了玻尔与爱因斯坦的几次争端。经他仔细研究发现，双方反复激辩的虽然是在纠缠态上，但是他们各自在自己的圈子里面打转，并没有在实质性问题上交锋，因而谁也说服不了谁。这更激起阿斯佩想要彻底弄清纠缠态的问题。通过这一时期的自学，阿斯佩不仅设定了研究目标，也养成了良好的科学研究习惯，这就是不断地质疑与反复地思考，不只勤于读书，更注意研究原始资料，从中挖掘出问题的实质与要害，从而设定研究目标。

20世纪80年代，阿斯佩与来自菲律宾的格朗吉尔（Grangier）等人合作，利用惠勒的方案，进行了光子的双缝实验研究。一开始，他们按照惠勒的第一个建议，在两条光路上，各自装置了检测器D1和D2，如果有光子通过，检测器将发出“咔”的一声。实验结果发现，确实如惠勒所预言，“两个检测器只是轮流发响，却从来不同时发出响声”，由此证明光子在第一个分光板A上，要么发生反射，要么发生透射，由此显示出光子的粒子性，也证实了玻尔在互补性原理中所说，“当实验是用于证实粒子性时，粒子就将出现粒子性的特征。”

为了证实单个光子的波动性，他们对惠勒的延迟实验做了改进。如图7所示，除了分光片A1，他们又加装了另一片分光片A2以外，还在两条光路上，分别又补装了镜片C1和C2，利用镜片把光汇集起来后再进行检测。当把一个个光子分别送入实验装置时，经过长时间观察，结果检测器D1和D2不仅可以同时发出响声，而且还分别得到了干涉花纹，由此证明了光子的波动性。如此又证实了玻尔的预言，“当要看到波动性时，即使单个光子，也能呈现出波动性。”于是阿斯佩的巴黎小组宣称，他们证实了玻尔互补性原理的有效性，即“粒子的波动性与粒子性从来都不是同时出现的，这取决于观察实验是要看它具有什么性质”。［22］

巴黎小组的话音还没有落地，另一个研究组却得到了不同的结果，他们声称“同时”观察到了粒子的波动性和粒子性。这是由三位印度物理学家完成的，领导实验小组的是印度加尔各答玻色研究所的科学家霍姆（Home）。

如图8所示，他们把分光片A取走，换上另外一种分光器P，这是两块直角棱镜，在它们相对的斜面间留有一层极薄的间隙，关键的设计就在这个间隙上。如果间隙厚度是零，两块棱镜组合成一块方形棱镜，光将直接透射出去而没有分光；如果间隙很大，两个三棱镜将只有第一个起作用，光从这个棱镜的直角面进入，在斜面上全反射，拐90°以后从另一直角面射出，也不会发生分光；现在令间隙极小，小到一部分光子在没有“发觉”这个间隙时，就穿了过去，此时就有统计性的几率出现了。这个间隙越小，穿越的几率越大，这说明穿越过去的光子将与它的波动性特征相联系，而反射光子将与它的粒子性特征相联系。实验小组发现，当他们把间隙的厚度缩小到波长的十分之一时，恰好一半反射，一半透射。因而证实了可以在同一个实验中，同时呈现光子的波动性与粒子性。

然而，有人对霍姆小组的实验结果持不同意见，他们认为即使在这个实验中同时出现了粒子性与波动性，那也是多个或大量的光子实验所显现出来的结果，对于单个光子而言，它完全可能有时呈现波动性，有时呈现粒子性，因此在单个光子的水平上，这个实验尚不足以证实波动性和粒子性可以同时呈现，当然也就不能由此断定玻尔的互补性原理失效了。

该如何认识电子、光子和其他粒子的这些奇异的量子行为呢？它们有时呈现粒子性，有时呈现波动性的这一事实，常令人们疑惑：它们究竟是什么？英国物理学家戴维斯和布朗曾在一部合写的书中说，玻尔的互补性原理是久经考验的原理，他们认为“在解释量子理论的本性和意义时，没有一个人能比玻尔所给出的图像更好了”。［23］玻尔经常说，以人们寻常的眼光和传统的思维模式来询问一个光子或电子究竟是什么，“这个问题的本身就是没有意义的”。或者说，“这个问题不可能得到解答”。物理学不可能告诉人们“这个世界是什么”，对这个世界，我们只能说，“我们究竟能说些什么”。上述实验就明确地证明了这一点。我们只能任凭电子或光子“自由自在”地做出“它们自己的选择”。

按照玻尔的互补原理也能对惠勒的延迟实验结果给出解释（如图6）。当在3a和3b的交叉处放入半透半反片B时，说明我们在与光的波动性打交道，自然所看到的就是光子波动性，这就是发生了干涉；当我们把B板移开时，我们又是在与光子的粒子性打交道，自然观察到了它的粒子性，并不与玻尔的互补性原理发生矛盾。

然而，为什么有时光子选择两条路径，有时又只选择走一条路径呢？也就是为什么它会有时呈现出波动性，有时又呈现出粒子性呢？这种选择行为是如何发生的？当B未放入时，光子或是穿过了A，或是没有穿过而在A处反射，光子只走了一条路径，然而当光子经过了A，已经“决定”走一条路径之后，在它没有到达B之前的这段时间内，人们把B放了进去，这个光子怎么又走了两条路径了呢？好像经过A之后的那一瞬间，光子能依照后面B片的操作做出是走一条还是走两条路径的“决定”似的，或者说，好像人在后面的“意志”行为，操纵了光子在前面的“存在”似的，这岂不是一件咄咄怪事！

根据玻尔的互补性原理只能做出这样的解释，那就是“人们只能就所观察到的事情做出表述”，因为在光子从A到B这段时间里，“人们没有去观察”，所以“无权论及光子在这段时间到底发生了什么”。玻尔曾一再地说明，对于任何量子现象，“只有被观察到之后，才能称之为一种可以去说明的现象”。除此以外，我们不能去说明什么，在从A到B之间，光子到底是什么或说它该有什么行为，解释其中的细节，已经超出人们的能力。这也正是久经考验的玻尔互补性原理具有如此深刻性的所在，因为它正确地抓住了量子现象奇异特征所在，这一原理性既给了我们“思考的空间”，也限制了我们“发问的自由”。

惠勒和阿斯佩实验的另一个结论更加具有震撼力。倒过来看，人们对B片的操作，似乎改变了光子在A、B间发生行为的“实在”，也就是改变了光子的“历史”。光子走一条路径，反应出它的粒子性，光子走两条路径显示它的波动性，无论它显现出什么性质，都是“先前”的事，而人们操作B则是“后面”的事，在这个实验中，显然“后面”发生的事，影响着光子“先前”的行为。惠勒在一次接受戴维斯访谈时，谈起这个延迟实验，他说：“我们可以一直等到光子几乎走完全部行程时，才实际叫它选择同时走一条还是两条路径，我们能够叫它在最后一刻（实际上是1秒的一小部分），才决定是否放进去半透半反片B，因此，看起来好像正是这最后瞬间做出的决定，对已经完成大部分行为的光子的过去产生了影响，这似乎是违背因果原理的。”这的确是令人不解的。它再次证实了玻尔的说法，因为没有测量，论及光子在AB间到底发生了什么，只是人们自己“一厢情愿”的“设问”，事实上我们什么都不知道。

然而，哥本哈根学派这个“不可问”或者“不能说明”，是对自由发问的一种限制，似乎很难叫人接受，不能就此罢了，究其原因，这里将涉及一个更为根本的哲学层面的问题，这就是到底什么是“真实”或者“实在”。