奇妙的量子世界

neogeo

综合《上帝与新物理学》和《原子中的幽灵》这两本书，围绕量子问题涉及了“杨氏双缝实验”，“惠勒延迟实验”，“海森堡测不准原理”，“哥本哈根解释”，“爱因斯坦——波多尔斯基——罗孙（EPR）实验”，“贝尔定理”，“阿尔派克特实验”，“冯-诺依曼回归推理”，“薛定谔猫佯谬”，“平行宇宙假设”，让我慢慢讲来。

双缝实验

杨氏双缝实验，光线通过双缝会形成干涉条纹，这个“干涉图是不可能从两个只有单缝存在所记录的图像的迭加中得到的。”因此“每个光子或电子必定以某种方式，独个地计及到开着双孔还是单孔。”“将粒子看成这样一种东西，有时是方便的，即它通过无限多条路径，其中每一条都对它的行为起作用，”《原》

物理学家想到“在两孔的前方各放一个探测器，以便预先肯定一个具体的电子向哪一个孔运动，这样一来，那位物理学家，在不让电子‘知道’从而不改变其运动的情况下，不能突然把另一个孔关闭吗？”可是由于海森伯不确定性原理，“为要使各个电子的位置测量精确到足以识别它所正接近的孔的程度，电子的运动受到如此之大的扰动，致使干扰图倔强地消失了！”《原》

玻尔提出了一个“可能的解决方法。可以把光子通过狭缝A的情况看成是一可能的世界，把光子通过狭缝B的情况看成是另一个可能的世界。不知为什么，这两个世界即世界A与世界B一同出现了，迭加起来了。玻尔断言，我们不能说我们的经验世界就是A或就是B，而应当说我们的经验世界纯粹是这两个可能世界的混合物。而且，这种混合的实在并不是两种可能性的简单相加，而是二者难以捉摸的结合：每一个世界都干涉另一个世界，形成了那有名的条纹。”

爱因斯坦拒绝承认混合的实在，提出一个屏幕可以自由移动的双缝实验继续与玻尔争论。“玻尔对爱因斯坦提出的实验思路进行了决定性的反驳。他说：爱因斯坦这是在游戏的中间改变了游戏规则。”“这里是两个不同的实验。他们不是矛盾的，而是并存的。爱因斯坦提出的实验思路并没有对原先实验中光子的路径问题进行任何说明，而原先的实验确实显示了那混合的世界。”《上》

延迟实验

约翰-惠勒（John Wheeler）的延迟实验类似于原始的杨氏实验，他通过一个半镀银镜A将光线分成了两束，而后在两束光线的交汇点再加入一个半镀银镜B。如果B不加入，那么两束光线末端的探测器就会各得到50%的光。如果B加入，那由于干涉的作用，一个探测器可以得到100%的光，而另一个得到0%的光。“关键点是第二块半镀镜B插入还是不插入，这个决定可以推迟作出，直到一个给定的光子几乎达到交汇点。换句话说，光子将经由一条线路还是经由两条路线穿过该光学系统，是仅在穿越发生之后才予确定的。”《原》“惠勒说，实在的确切性质，要等到一个有意识的观察者参与之后才能确定。如此说来，可以让精神对实在进行逆时间的创造——即便是人类存在之前的实在，也可以由精神创造出来。”约翰-惠勒画了一幅象征性的图画，“图画表示宇宙是一个自观察的系统。”“表明了可以让今天的一个观察者来部分地产生遥远的过去的实在。图画中的尾部可用以表示宇宙的早期，而后来的意识对宇宙的早期进行的观察使宇宙的早期升格为具体的实在。同时，意识本身也是依存于它所形成的实在的。”《上》

海森堡测不准原理

海森堡测不准原理的意思是：“你不能知道一个原子，或一个电子，或一个什么东西在什么位置上，同时又知道它在如何运动。你不仅不可能知道，而且，具有确定的位置和运动的原子这一概念本身就是无意义的。”“假如原子没有位置，或没有有意义的运动，我们还有什么理由说它是个东西呢？”《上》

哥本哈根解释

“玻尔认为，原子的模糊世界只是在受观察时才变成具体的实在。没有观察时，原子就是一个幽灵。只是当你看它时，它才变成物质。你可以决定要看什么，想看它的位置，你就能在某一位置上看到一个原子。想看它的运动，你就可以看到以某一速度运动的原子。但你不能两者同时看到。观察所造成的实在是与观察者以及观察者所选用的测量方法分不开的。”《上》玻尔提出了哥本哈根解释：“询问一个电子‘实际’是什么的问题，是没有意义的。或者至少，当您提这个问题时，物理学家不可能给予回答。他宣称：物理学不告诉我们世界是什么，而是告诉我们关于世界我们能够谈论什么，特别是，如果一个物理学家就一个量子系统作一次实验，只要实验装置的全部细节为已知，那么，物理学家便可以就他可能观察的东西做出一个有意义的预言，从而便能以明白的语言转告他的伙伴们。”《原》玻尔进而提出了互补原理：“例如，在波——粒二象性中，量子物体的波动性和粒子性构成其行为的互补方面。他坚持：我们决不会遇到这两种不同行为在其中相互冲突的实验。”《原》“玻尔思想的一个渊深的推断就是：关于宏观和微观、整体和部分之间的关系的传统观念，被根本地改变了。他宣称：在你弄懂一个电子正在干什么之前，你必须指明全部实验条件。比方说，你要测量什么？你的仪器是怎样组装的？所以，微观世界的量子实在无法摆脱地跟宏观世界的组织缠绕在一起。换句话说，离开了同整体的关系，部分是没有意义的。”《原》“玻尔哲学的核心是这样假设的，即不确定性和模糊性是量子世界所固有的，而不仅是我们对于它的不完全感知的结果。”《原》

EPR实验

“假如你觉得玻尔的话令人摸不着头脑，矛盾，令人难以接受，那么爱因斯坦跟你是一个观点。不管我们观察与否，世界不也确实是照样存在着吗？一切事物的发生，都有其原因，而不是因为被观察才发生的，难道不是这样吗？不错，我们的观察可能揭示出原子的实在，但怎能说我们的观察创造了原子的实在？的确，原子以及原子构成成分的行为方式似乎可能是既模糊，又不准确的，但这只是由于我们拙于探测这些精巧的东西。”《上》“为什么我们不能将量子模糊性归因于更深层级的隐变量呢？隐变量理论使我们能够将量子粒子的混沌的，表观不确定的不羁行为描绘成是下层级上完全决定论的力所驱动的。”《原》“爱因斯坦深信，事情必定如上所述。”他构建了EPR思想实验来检验这种想法。“此实验要我们考虑通过同时窥视一个粒子的位置和动量，以蒙骗海森伯不确定性原理。采用的计谋是使用一个同谋粒子，以实行一次取代所感兴趣粒子的测量。“玻尔认为：“在EPR实验中，一个相距很远但关联着的同谋粒子，构成量子系统的一个不可分割的部分。虽然没有直接信号在A与B之间穿过，按照玻尔的看法，这并不意味着当你讨论A的环境时，可以忽略对B实行的测量。所以，虽然没有实际的物理力在A与B之间传送，他们仍俨如同谋一般在其行动中进行合作。”《原》

贝尔定理

约翰-贝尔研究了二粒子量子系统，证明“如果按照爱因斯坦的看法，假定两块碎片在被观察之前实际上就已经以相当的确定状态存在，那么分离的系统之间的协作程度不能超过某个一定的极大值。量子论则预言，这个所谓的极大值是可以超出的。”

阿斯派克特实验

阿斯派克特、达利巴德与罗哲等人进行的实验——“对于由钙原子单次跃迁中同时发射的反向运动的光子对进行偏振测量。”——来检验贝尔不等式，结果“玻尔赢了，爱因斯坦输了。”

说明

“波尔——爱因斯坦之争，不仅仅是细节之争。它涉及量子论这一科学的最成功的理论的整个概念结构。其核心是这样一个问题：原子是一个东西，还是一种抽象想象的构想，只是用来解释广泛的观察结果？”《上》

“人们对世界的常识性看法，即把客体看做是与我们的观察无关的‘在那里’确实存在的东西，这种看法在量子论面前完全站不住脚了。”《上》

“量子论打碎了人们的常识所珍视的关于实在性质的概念。它使得主体和客体、原因与结果之间的界限模糊了，将强烈的整体论引入我们的世界观。”《上》

大卫-玻姆在《整体性与暗含的秩序》中写到：“量子论所要求的关键性的描述变化就是，放弃分析的想法，不再把世界分析成相对自主的部分，分别存在但同时又相互作用。相反，现在最受强调的是不可分的整体性，在整体的世界中，观察工具与被观察的东西不是分开的。”“一句话，世界不是相互分离却相互联系的东西的集结，而是一个关系的网络。玻姆这样就回应了沃纳-海森堡的话：‘习惯上把世界分成主体与客体，内心世界与外部世界，肉体与灵魂，这种分法已不恰当了。”《上》

物理学家J-惠勒打了一个比喻，是20个问题游戏的一种翻版：房间里的人事先约定一个词，而后让新进来的人通过提20个问题，原有的人回答是或非，来把这个词得出来。但他玩游戏的时候，屋里的人“原先并未约定一个词，他们一致同意不统一约定一个词，每一个人能尽其所爱回答问题——但有一个要求，即：他心中必须有一个可与他自己的回答，以及所有已经作出的回答相适合的词，”“当我进屋时，我认为屋内有一个确定的词，实际上这个词是通过我所提的问题一步一步演化出来的。”“如果我提出过不同的问题，或依不同的次序提同样的问题，就会以不同的词告终，正如实验者关于电子行为会有不同描述而告终一样。”“在游戏中无词便是词，除非通过选择一系列的问与答，将该词变为现实。在实际的量子世界里，任何一种基本量子现象只有在其被记录下来之后，才是一种现象。”《原》

冯-诺依曼回归推理

“玻尔观点的核心是：一般地只在作了一次特定测量（或观察）之后，我们才能有意义地谈论单个量子系统的物理属性。显然，这赋予测量作用以一种严正而特殊的物理地位。”《原》“按照量子力学规则，一个量子系统可按两种十分不同的方式在时间中演化。”“假设系统的状态由几个相迭加的不同波图所组成。”“现在假设实施某种测量，效果就是戏剧性的了。突然间除了仅留下与‘答案’相对应的单一波图之外，所有其余构成波全部消失，干涉效应停止，继后波图全然改变了。波的这种似测量演化是不可逆的，我们不可能取消它，并恢复原来复杂的波图。”“显然，在一次测量所出现的骤然变化，与量子系统耦合一个与之相互作用的仪器有关，他不再是孤立的了。”“数学家冯-诺依曼证明了：对于一个模型系统来说，这种耦合确实具有前述效应。”《原》

“冯-诺依曼作出结论：测量装置，仅当它本身也受到一次测量，从而激起‘下定它的决心’（技术上叫做波函数缩编到某一具体的本征态上）时，才可能被认为实际上完成了一次不可逆的测量作用。但我们现在堕入了无限的回归，因为这第二个测量装置本身又要求另一装置将它‘缩编’成为一个具体实在的状态。”《原》“量子的‘测量问题’实际上是精神——肉体或软件——硬件问题的变体。”“假如从头至尾全是在硬件层面上描述测量行为，就出现了悖论。”“冯-诺依曼机器链总是有一台最后的机器必得处于一种非实在的状态之中。”《上》

薛定谔猫佯谬

“一只猫关在一钢盒内，盒中有下述极残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：在盖革计数器中有一小块辐射物质，他非常小，或许在一小时内只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变，计数管便放电并通过一个继电器释放一锤，击碎一个小的氢氰酸瓶。如果人们使这整个系统自在一小时，那么人们就会说，如果在此期间没有原子衰变，这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了猫。”“按照量子力学规则，盒内整个系统处于两种状态的迭加之中，一态中有活猫，另一态中有死猫。但是一个又活又死的猫，是什么意思呢？据推测，猫自己知道它是活还是死。然而，按照冯-诺依曼的回归推理，我们不得不作出结论：不幸的动物继续处于一种悬而未决的死活状态之中，直到某人窥视盒内看个究竟为止。此时，它要么变得生气勃勃，要么变为即刻死亡。”《原》

“猫佯谬摧毁了我们本可以有的如下希望，即：量子幽灵以某种方式局限于原子的阴影似的微观世界之中，在原子领域中实在的佯谬性质是与日常生活和经验是不相关的。如果量子力学作为所有物质的一种正确描述被接受，这种希望显然是会落空的。如果遵循量子理论的逻辑到达其最终结论，则大部分的物理宇宙，似乎要消失于阴影似的幻想之中。”《原》

平行宇宙假设

布赖斯-德韦特提出了大胆的多宇宙假设：“在每一个恒星、每一个星系中，以及在宇宙的每一个遥远的角落里，所发生的每一种量子跃迁，都在把地球上我们这个定域世界分裂成无数个自身的拷贝……这里是报复性的精神分裂症。”《原》这个假设赢得了“廉价的宇宙，昂贵的假设”的评价。

最后我再引一句玻尔的话：“假如一个人不为量子论感到困惑，那他就是没有明白量子论。”

neogeo

关于「延迟实验」的更多信息，见维基百科：

http://en.wikipedia.org/wiki/Whe ... d_choice_experiment

设计此实验的物理学家 John Archibald Wheeler 如是说：

The thing that causes people to argue about when and how the photon learns that the experimental apparatus is in a certain configuration and then changes from wave to particle to fit the demands of the experiment's configuration is the assumption that a photon had some physical form before the astronomers observed it. Either it was a wave or a particle; either it went both ways around the galaxy or only one way. Actually, quantum phenomena are neither waves nor particles but are intrinsically undefined until the moment they are measured. In a sense, the British philosopher Bishop Berkeley was right when he asserted two centuries ago ‘to be is to be perceived’

舍脂

我很怀疑楼主是否真的懂量子学说!
其实量子学说的本质是,我们在这些观察中,涉及的尺度太小了!以至于我们任何观察手段都会严重影响观察的客观性!这才是量子论模糊性和选择性的本质!!!!!

舍脂

老艾是坚定反对量子论的,他的最有名的说法就是:上帝不会掷鹘子！
但是他忘了，人会掷！

自由与突破

楼主该好好学习了。
量子理论也只是一个局部适用理论。

求道诚心

楼主的列举非常好，思绪完整，眼光宏大，谢谢

合十

心是透明的

有机会重新学习一下量子理论，挺有意思的

正气

此文很好，在下也补充一些文章 ---

正气

[摘录]简述测不准原理


测不准原理，或称不确定性原理，是量子理论的一个基石，由德国物理学家海森堡于1927年提出。

海森堡最初的表述是这样的：对于任何一个粒子，你不可能同时精确测量它的位置和动量，位置的不确定度和动量的不确定度相乘有最小值，用数学公式表述就是

Δr×Δp≥h

上式中Δr为位置测量的不确定度，Δp为动量测量的不确定度（物体的质量和速度的乘积称为物体的动量，动量是一个很重要的物理量），h称为普朗克常数，　它的大小是6.626×10-34。

这个公式很抽象，举个例子：比如一个苹果正由于万有引力的作用向牛顿的脑袋飞去，那么在任一时刻，我们都可以测量苹果的质量、速度和位置，由于仪器的限制，测量不可能很精确，假设质量测量的误差是0.1g，速度测量的误差是0.001m/s，那么用上式可以算出位置的误差应该大于10-27m，显然，任何一把尺子的误差都远远大于这个数，所以对苹果来讲，上面的公式没有任何意义。用测不准关系公式算出的误差对于任何一把尺子来说，就是“不差钱”。

但对微观物体就不一样了，比如把苹果换成电子，电子的质量是10-30kg，经典半径10-15m(什么是经典半径，如果不懂，可以暂不去计较），姑且认为测量的误差也是这么大吧，用上式一算，天啊，速度的误差是1011 m/s，要知道光速只有108m/s，所以这个结论显然是不能被接受的。实际上，电子位置测量的误差远远大于10-15m，我们根本观察不到静止的电子，我们只能知道电子在某一个范围内活动，这个范围就是位置测量的误差。比如原子内的电子，其位置测量的误差为10-10m，由此算出，其速度的误差是106 m/s，对原子的观测证实了上述估算的正确性。

最初物理学家是这样解释测不准原理的：任何测量都会对被测物体产生干扰，比如我们测量一个物体的位置，必须要能看到它（也就是有光与它发生作用），或者能触摸到它（也就是仪器与它发生作用），这样都会改变物体的位置，从而产生测量的不准确。这个不准确对宏观物理来说很微小，但对微观物体来说却很重要。当我们使用一些手段使得位置的测量尽量精确时，动量的不准确度就要加大，所以不可能把位置和动量测量的都很准确。

但随着对这一问题的深入探讨，物理学家们发现，这一原理是微观世界的一个普遍原理，与测量无关，即使没有测量这一过程，微观粒子在运动过程中仍然遵循这一规律。所以物理学家将这一原理重新命名为不确定性原理。

除了位置和动量的不确定性原理外，还有许多其他的不确定性原理，比如能量和时间的，方位角和角动量的……不确定性原理为我们打开了一扇微观世界的大门，让我们认识到在微观世界里有很多与宏观世界不同的概念，比如在微观世界里“静止”是没有意义的，任何粒子的“能量”都不是确定的，而是在一个范围内波动……由此将引出许多我们意想不到的结果，这些概念和结果都已成量子物理的精髓。

正气

摘自维基百科：

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6 ... 7.E5.8E.9F.E5.89.87

海森堡不确定性原理（英語：Heisenberg Uncertainty Principle。有時也被譯成海森堡測不準原理。）是指在一个量子力学系统中，一个粒子的位置和它的动量不可被同时确定。位置的不确定性，和动量的不确定性，是不可避免的。

类似的不确定性也存在于能量和时间，角动量和角度等許多物理量之间。

不确定性也是一种波的特性。在经典物理中波也有不确定性。比如波的频率和波到达的时间之间就有不确定性。要测量频率，就要等几个波峰的到达，但这样一来波到达的时间就没法被精确地测量了。

1927 年，德国物理学家海森堡首先提出了量子力学中的不确定性。

正气

延迟选择实验及其引发的实在问题


发表于《自然辩证法研究》2004年第5期，pp.41-44
文章编号：1000－8934（2004）05－0041－04

田  松（1）
（北京大学 哲学系，北京，100871）


摘要：惠勒提出的延迟选择实验是量子双缝实验的一个扩展，它给出了一个特殊的结论：我们现在的行为对过去产生了影响。观测与实在紧密地缠绕在一起。这个实验深刻地揭示了微观世界在空间、时间乃至实在本体等方面与宏观世界的不一致性，把哥本哈根学派的思想推到了极致。经典物理的实在观不能深入到量子层次，量子理论要求一种新的实在观。

关键词：延迟选择实验、实在、时间、物理学哲学、惠勒

中图分类号：No31 文献标识码：A

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延迟选择实验是美国理论物理学家惠勒（John. A. Wheeler，1911－）在1979年提出的一个思想实验，它把哥本哈根学派的思想推倒了极端。惠勒本人对此实验极为重视，他说：“没有什么能比尼耳斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦长达三十年的对话更能让人看到这个主题的奇妙；也没有什么地方会遇到比所谓的‘延迟选择实验’更深入的问题。”[1]延迟选择实验是对玻尔—爱因斯坦辩论中曾讨论过的分光实验的推广，而分光实验，又是量子双缝实验的一个变形。在从杨氏双缝实验到延迟选择实验将近200年的历史中，每一步都对当时的实在观产生了巨大的冲击。本文将对此过程进行一个简单的梳理，并对其引发的实在问题进行初步的分析。


1 杨氏双缝实验：光的实在性

光的双缝实验是托马斯·杨（Thomas Young）在1801设计的，初为双孔，后改为双缝。实验非常简单，在光源和接收屏之间放一个上面刻有两个平行狭缝的隔板，结果在接收屏上出现了干涉条纹。按照当时的物理学，这是波的性质。此时牛顿关于光的微粒说已统治物理学一百多年。双缝实验表明光是一种波。但直到19世纪末，经过麦克斯韦的理论工作和赫兹的实验工作，光才被解释为电磁波。

人们对日常事物的认知主要是建立在视觉、听觉和触觉之上的。对于一个引起视觉的石头，人们可以用触觉予以证实，此石头并非幻觉。只作用于视觉的光的实在性要比石头的实在性弱得多。牛顿把光解释为粒子，给它赋予一个实在性更强的本性。在当时的物理学看来，粒子是物质实体，而波只是物质的运动方式，其本身不具有实在性。

杨氏实验将光解释为波，取消了光的实在性。但是，它是哪一种（实在的）物质的运动状态？电磁波的介质曾被命名为以太，但所有对以太的测量均告失败。狭义相对论之后，人们普遍接受电磁波不需要介质这个结论。电磁波作为一种新的物质形态被引入到物理学中。它与粒子一样具有能量和动量，也能传播能量，甚至也有运动轨迹，因而和粒子具有相同强弱的实在性。

（电磁）波已经超越了人的感官，是理性的产物。我们不是通过感官直接感觉到波的实在性的，而是通过对感知材料的分析，推断出波的实在性的。可见光是电磁波与人的感官之间唯一的直接联系。但是，人们并非从感官出发，将感知到的光的属性延伸到电磁波，恰恰相反，是根据物理学理论所推导出来的电磁波的性质来说明光的属性的。

　
2 光子双缝实验与分光实验

1905年，爱因斯坦用光量子来解释光电效应，复活了光的粒子说。1924年，德布罗意提出波粒二象性。1927年，电子的晶体衍射实验证明电子确实具有波动性。波和粒子这两种物质形态现在成为一个统一的物质实在的两种表象。双缝实验也可以用电子进行。同样，如果我们把光强减弱，使得从光源处发出的光不是一束光波，而是一个个光子，其结果类似于一个个电子的情形。

将实验条件进一步改造，光子将呈现出更为诡秘的性质。

（1）让光子一个个地发出，在前一个光子打在屏上之后，再让后一个光子发出。少量光子将在屏上形成随机分布的图案。随着光子的增多，屏上逐渐显示出与光子流（光波）的情形相同的干涉条纹来。对此，可能的解释是：①将要发出的光子能够与已经打在屏上的光子发生干涉。但是这意味着一个尚未发生的事件能够与已经结束的事件发生作用，违反时间因果律。所以有②，每个光子都和自己干涉。这意味着每个光子自身都同时经过两个狭缝。则必须假设，光子是以波的形态通过狭缝的，故能与自己干涉。在打到屏上之前，又变成一个粒子，随机落到屏上某点。而这个随机点又遵从某种几率分布，使得大量光子呈现出干涉条纹。这种让一个光子同时走两条路的解释在宏观世界是不可能的，惠勒曾用一幅漫画表示光子这种怪异的行为，一个滑雪者经过一棵树，他滑过的轨迹在经过树时一分为二，左脚从树的左边经过，右脚从树的右边经过[2]。

（2）仍然让光子逐一发出，但是将双缝中的一个遮挡起来。少量光子仍然随机分布，而大批光子则呈现出单缝的衍射条纹。需要强调的是，两个单缝衍射条纹的简单叠加并不等于双缝的干涉条纹。那么，光子怎么知道前面是单缝还是双缝？一个可能的解释是：①光子具有某种智能，它知道前面是单缝还是双缝。这当然不是一个物理学的解释。于是有②，每个光子都以波的状态通过缝隙，不论是单缝还是双缝。如果是双缝，就和自己干涉，如果是单缝，就自己衍射。但是这个解释仍然没有解释：光子怎么知道前面是单缝还是双缝。

爱因斯坦借用麦克尔逊—莫雷的光行差实验装置，把双缝实验变成了分光实验，二者的物理意义是相同的。实验装置见图1[3] 。图1由三个部分组成，标记为a，b，c。



图1a，光子从光源发出，遇到一个镀银的半透镜，如果按经典理论，则光波分成两半，各占50%。如果按量子力学分析，则光子反射和透射的几率各占一半，整个系统的波函数是两者的叠加。分成两半的光波或几率各半的光子经A、B两个反射镜反射，在C处汇聚。在此，有两种方案。

其一：如图1b，在C处放置两个探测器。如上面的响，表明光子来自B，如下面的响，表明光子来自A。探测器每响一次，完成一次测量。按照经典理论，我们相信这个光子在测量之前就已经存在，光子或反射，经A到达C；或透射，经B到达C。在某一个确定的时刻，光子必然处于某一条轨道的某一个位置上。但是我们不知道它究竟在哪个轨道上。需要通过测量进行反推。

其二：如图1c，在两探测器之前放置另一个半透镜，来自A／B的光子再次一半透射，一半反射，在此干涉。调整光程差，可以使达到上面探测器的干涉光相消，此探测器将不会接收到任何光子信号；则到达下面探测器的干涉光必然相加，只要光源发出光子，必被此探测器接收。每次测量都表明，光子是同时经过两条路线到达C的。

在此，放还是不放第二块半透镜，相当于在双缝实验中打开还是遮挡另一个狭缝，但更加简明。

爱因斯坦认为，一个光子不可能既能只走一条路线，又能同时走两条路线。这表明量子论是自相矛盾的。玻尔用其互补原理进行解释，认为两者并不矛盾，因为这是两个不同的实验，而关键的是不可能同时做两个实验。

于是，我们的测量方式对被测量的事件产生了不可挽回的影响。


3 延迟选择：还原论与整体论解释

惠勒的突破性在于：延迟选择 （2）。1979年，在普林斯顿纪念爱因斯坦诞辰100周年的专题讨论会上，惠勒正式提出了延迟选择的思想：即当光子已经通过A／B之后再决定是否放置半透镜。如果放，我们可以说光子同时走过两条路；如果不放，则只走一条。这样就导致了一个怪异的结论：观察者现在的行为决定了光子过去的路线。由于这个思想实验并没有限制实验室的尺度，A、B两条路线原则上可以无穷长，几米、几千米乃至几亿光年都不会影响最后的结论。观察者现在的行为所决定的过去可能是非常遥远的过去，甚至远到人类还没有诞生的宇宙早期。

更严重的危机出现了。现在已经不仅是光子究竟走哪一条路，能不能知道走哪一条路的问题；甚至基本的因果性时间顺序遭到了挑战。

延迟选择实验集中地、突出地把量子力学对传统实在观的挑战展现出来。“存在如何？量子如何？宇宙如何？”这些关于实在本性的问题一直是惠勒所关心的。惠勒认为，这些问题应该成为下一代物理学家所投身的目标，它们首先是物理学问题，而不是哲学或者神学问题。 [4]

对于物理学家来说，一个问题遇到了障碍，总是习惯性地重新思考其物理过程。重新分析，已知的条件有哪些，未知的有哪些，要解答什么。对于延迟选择实验这个问题，我们也不妨以物理学的视角重新审视一下。我们假设这个实验在宇宙尺度进行，则其物理过程如下：

过程1’，有一个又一个光子，从太空遥远的星系来到地球，进入实验室的仪器。

过程2’，观测者把半透镜放到C处，经调整，使上面的探测器不停地响，下面的没有反应。

过程3’，把半透镜拿开，两个探测器轮流作响。

问题：光子究竟走一条路还是走两条路。

分析之前，需要强调两个前提。（1）光子在同样的实验条件下，应表现出同样的行为。可称之为稳定性前提，这几乎是人类知识存在的前提。（2）所有光子的性质都是相同的。只有这样，对不同的光子所作的实验，才能相当于对同一个光子进行不同的实验。

根据过程2’的结果反推，可以认为光子是同时从两个路线过来的。

而在过程3’，则可以根据探测器的响应，判断光子走过了哪一条路线。

光子显然表现了两种行为。爱因斯坦认为，这与稳定性假设相矛盾。玻尔不否认稳定性假设，同意在同样的物理条件下，光子只能有一种行为。但是玻尔认为：过程2’和3’，物理条件恰恰不同。因为一个是放置半透镜，一个是不放。

从经典角度看，这种解释近似狡辩。在经典物理学看来，2’和3’的物理过程是相同的，因为光子在到达C点之前的一切条件都无差别，所谓差异只是在用不同的实验手法来观测同一个物理事件而已，完全是观察者的主观选择造成的。对此，玻尔的回答是：“在量子效应的分析中，不可能在各原子客体的独立行为和它们与一些测量仪器相互作用之间划出任何截然的分界线；那些测量仪器是起着定义现象发生时所处条件的作用的。”[5]玻尔把观察者引入到物理条件中来，他认为，在量子理论中，不存在如经典物理学中那样纯粹客观的观察者，主体和客体之间并无截然的界限。经典物理主客两分的叙述模式在量子世界中已经不适用了。

但是，从经典的角度看，即使1’和2’不同，不同的也只是光子经过C点之后的部分，此前的物理条件还是相同的，而在C点之后的观察者不可能对在此之前的光子行为造成影响。对此，玻尔仍然坚持，不能把原子客体和观测它的仪器分开，这完全是两个实验。尽管看起来只是最后的部分发生了变化，但是只要有一个局部变了，整个物理过程全部改变了。玻尔说：“事实上，在粒子路径上再加任何一件仪器，例如一个镜子，都可能意味着一些新的干涉效应，它们将本质地影响关于最后记录结果的预言。” （3）[6]经典物理的还原论和量子理论的整体论之间的冲突在这里鲜明地表现出来。

按照经典物理学所坚持的还原论，正如物质本身可以分解成部分，物理过程也可以分解成部分。各个部分可以拆卸，相同的部分可以替换，每个部分在不同的整体中具有相同的性质。在这个实验中，既然前半部分是相同的，光子在前半部分的行为也应该是相同的。但是，根据量子理论，却只能说，这是完全不同的两个不可分的过程。对此，我们或者放弃经典物理的还原论立场，接受量子理论给出的整体论；或者坚持经典物理的实在观，否定量子理论给出的实在描述是完备的。惠勒明确指出：量子理论要求一种新的实在观。

在玻尔—爱因斯坦争论的分光实验中已经隐含了时间问题。因为放与不放第二块半透膜，决定着被观测的光子的行为。而光子总能做出相应的表现，似乎能预先知道观测者的决定。由于他们的注意力在路径上，时间次序的倒错被忽略了。

延迟选择把时间问题凸显出来。在光子已经走过了漫长的道路之后，无论它从A来还是从B来，都已经发生，不可能重新来过。既然我们承认那个倒霉的光子从遥远的几万光年来到实验室需要几万年的时间，我们的决定注定是在光子走完了大部分路程之后做出的。从时间的角度看，惠勒为还原论者设计了最后一个可还原的部分。把整个过程分成了两个时段。在光子走完了前个时段，再决定做后个时段的实验。如果你承认光子的漫漫长路可以分解成前后时段，就只好承认，观察者在后个时段的选择对光子已经完成的前个时段的行为造成了影响。

一向关心哲学问题的物理学家保罗·戴维斯（Paul Davies）把对延迟选择实验的上述解释称为玻尔—惠勒阐释。戴维斯指出，惠勒把量子力学的测量行为和时间本性之间的关系突出地表现出来，把哥本哈根学派的思想推到了逻辑上的极致。 [7]


4 延迟选择实验的可操作性

延迟选择实验不只是一个思想实验，还具有可操作性。惠勒在自传中说：

与其它许多思想实验一样，技术进步跟上了理论，使它变成真正的实验。Maryland大学的Carroll Alley, Oleg Jakubowicz, William Wickes于1984年——在实验室的实验台上，不是在棒球场上——演示了这个实验。爱因斯坦一直试图回避，而玻尔认为无法回避的量子世界的奇异性，是真实的。

如果延迟选择在实验室中是真的，在棒球场的尺度上肯定也是真的，在宇宙范围肯定也是真的。……那么，我们只好认为每一个单个的光子在其从类星体到地球的数十亿年的旅程中，以昙花一现的几率云的形式同时经过了跨越两个星系的两个路径，延展到遥远的空间，直到我们用测量把光子钉住。否则，还有什么可能的解释呢？既然我们在决定是测量来自两条路径的干涉还是测量光子究竟走过哪一条路径的时候，光子已经上路十亿年了，我们必须得出这样的结论，我们这个测量的行为，不仅把光子自身历史的性质展现给我们，而且，在某种意义上，决定了光子的历史。宇宙过去的历史并不比我们通过现在的测量指定给它的历史具有更多的合理性！[8]

宇宙尺度上的延迟选择实验也具有可操作性：

有两个天体，名字是0957+561A和B，它们曾被认为是两个不同的类星体。二者分开的视角是6弧秒。现已证明：二者实际上是一个类星体的两个像。……这个结果把光束分离实验从实验室尺度扩大到了宇宙尺度。 [9]

由引力透镜造成的类星体双像成为在地球上进行宇宙尺度的延迟选择实验的天然光源。惠勒提出了一个实验装置。将望远镜分别对准两个类星体像，利用光导纤维调整光程差，并将光子引入实验装置，就可以完成星际规模的延迟选择实验。

延迟选择实验突显了量子理论与经典物理在实在问题上的深刻分歧。在此基础之上，惠勒进一步提出参与的宇宙（participatory universe）的观念，把整体论从空间延伸到时间，不仅空间不能被分割成一个个部分，从宇宙大爆炸到今天的全部时间，也是一个整体。

延迟选择实验已经成为一个经典问题，可以从不同角度进行不同的诠释，丰富我们对实在的理解。


注：
(1)田松（1965-），哲学博士，理学（科学史）博士，本文为在北京大学哲学系做博士后工作的一部分，系博士学位论文工作的延续。现在北京师范大学哲学系任教。研究方向为科学哲学、科学传播与科学人类学、科学思想史。

(2)直接利用双缝实验装置也可以设计延迟选择实验。参见John A. Wheeler, At Home in the Universe, 1994. pp.288-290； Paul Davies, Time Asymmetry and Quantum Mechanics, The Nature of Time, edited by Raymond Flood & Michael Lockwood, Basil Blackwell, 1986, pp.116-118.

(3)玻尔这句话是针对另一个实验说的，但对此完全适用。


参考文献

[1]John A. Wheeler, At Home in the Universe, 1994. p.112。

[2]John A. Wheeler and Kenneth Ford, Geons, Black Holes and Quantum Foam, 1998. p.333.

[3]惠勒. 物理学和质朴性. 合肥：安徽科学技术出版社，1982. 3.

[4]John A. Wheeler and Kenneth Ford, Geons, Black Holes and Quantum Foam, 1998. p.287.

[5]玻尔. 尼耳斯·玻尔集（第七卷）. 戈革译. 北京：科学出版社，1998. 302.

[6]玻尔. 尼耳斯·玻尔集（第七卷）. 戈革译. 北京：科学出版社，1998. 306.

[7]Paul Davies, Time Asymmetry and Quantum Mechanics, The Nature of Time, edited by Raymond Flood & Michael Lockwood, Basil Blackwell, 1986, p.116,120.

[8]John A. Wheeler and Kenneth Ford, Geons, Black Holes and Quantum Foam, 1998. p.337.

[9]惠勒. 物理学和质朴性. 合肥：安徽科学技术出版社，1982. 11-12.

Delayed-choice Experiment and the Reality Puzzle from It

TIAN Song
（Department of Philosophy, Peking University, Beijing 100871, China）

abstract：Delayed choice experiment raised by J. A. Wheeler was extended from quantum double slit experiment, and it concludes that: our present behavior can affect the past. Observation and reality entangles together closely in it. It acutely demonstrated the inconsistent between micro world and macro world in space, time and reality itself, and showed a logical extreme of the thought of Copenhagen school. The view of reality from classic physics can not work under the level of quantum, and the quantum mechanics need a wholly new view of reality.

key words：delayed choice experiment, reality, time, philosophy of physics, J. A. Wheeler

文昌

前面那个双缝试验中的光子，光子的波粒二像性应是同时存的的就是光子是像函数曲线一样向前运动的，不是一会是波，一会是粒子，两种状态是同时呈现的，这是眼通时见到的，並且有是一定数量的练气功人能见到的。

文昌

光子本身不是以太，但却是受以太类物质影响而成波动状态的。

文昌

以太可以解释为道 ，先天一气物质。

文昌

人的思想对微观粒子试验的影响，是通过以太或称是先天一气物质完成的。