惠勒延迟选择实验 材料.docVIP

延迟选择实验及其引发的实在问题　 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倒了极端。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　 　　 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