光的本質是粒子還是波動？這場爭論一直可以追溯到古希臘的先哲那里。 來源：新科學家

核心之秘

      量子物理以宣稱雙方都對的方式，解開了這個死結。表明上的證據，來自一個經典實驗的量子版本。頗具戲劇色彩的是，英國物理學家托馬斯 · 楊（Thomas Young）于1803年最初提出這個實驗，是為了支持光的波動理論。在這個現在名為“楊氏雙縫干涉”的實驗中，楊在一塊屏幕上刻上兩條非常細的平行狹縫，然后將一束光投射其上。在距離更遠的另一塊屏幕上，他觀察到了明暗相間的豎直條紋。這似乎毫無疑問地表明光的波動本質，因為水波也會以同樣的方式衍射過堤岸上的兩個狹窄隘口，然后發(fā)生干涉，在有些地方水波相互增強，發(fā)生相長干涉，有些地方水波相互抵消，發(fā)生相消干涉。

      不過當你降低光的強度，直到每次只有一個光子進入整個實驗裝置時，奇異之旅就開始了。1905年，愛因斯坦已經明確提出，單個光子是一個粒子。（愛因斯坦提出的光量子理論，解釋了光電效應，并因此獲得了諾貝爾獎。）確實，如果你在兩條狹縫中任何一條后面放上一臺探測器，你都能聽到單個光子擊中探測器發(fā)出的嗶嗶聲?？梢坏┠惆烟綔y器拿走，代之以一定距離之外的一塊集光屏幕，你會發(fā)現當年托馬斯 · 楊所觀察到的明暗相間的圖案，在屏幕上慢慢重現。這個結果似乎又表明，每個光子都是同時穿過兩條狹縫的波動。同樣的情況還發(fā)生在其他量子粒子身上，比如電子、中微子、原子，就連包含60個碳原子的巴基球（buckyball）也不例外。

      對尼爾斯 · 玻爾（Niels Bohr）這位丹麥偉大的量子物理先驅而言，這種“核心之秘”不過是量子理論的一條原理罷了，他稱之為互補性原理（complementarity principle）。像光子這樣的量子物體，就是具有互補的性質——既是波動，也是粒子，而且每次只能觀測其一，不可能同時出現。那么，是什么決定著一個量子物體該如何表現呢？在1927年9月于意大利科莫湖邊卡第奇研究所召開的物理學家大會上，玻爾提出了一個答案的雛形：決定者是我們自己——欲尋粒子則得粒子，往覓波動則見波動。

      物理“實在”取決于觀察者的意志，這個想法極大地冒犯了愛因斯坦鐘愛的那些信念。在1935年與鮑里斯 · 波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森 · 羅森（Nathan Rosen）合作的一篇文章（即著名的EPR論文[1]）中，愛因斯坦憤然寫道：“任何對'實在’的合理定義都無法允許這樣的情況存在”。他偏愛另一種觀點，即“實在”中蘊含著更深入但還未被認知的層次，其中隱藏著潛在的機制“告訴”光子它將經受何種類型的實驗，從而相應地改變光子的行為。

      這并非無端的陰謀論調。想象一場爆炸，兩塊碎片朝相反的兩個方向飛出。爆炸遵從動量守恒，兩塊碎片的質量和速度因此被關聯在一起。但如果你對動量守恒一無所知，你或許會輕易得出結論，認為測量一塊碎片的性質決定了另一塊碎片的性質，而不知道所有結果在爆炸發(fā)生時就已經確定。量子世界是否也由類似的隱藏“實在”所控制？

      惠勒的思維實驗就在此時橫空出世了。為了解決“什么告訴光子如何行止”這個難題，他用到了雙縫干涉實驗的一個升級版本。在這個思維實驗中，光子要從一臺干涉儀（interferometer）的兩條路徑中任選其一。在干涉儀的另一端，這兩條路徑要么重新交匯，要么不再交匯。如果兩條路徑不交匯，即干涉儀處于“打開”狀態(tài)，對光子進行測量就相當于在雙縫實驗的兩條狹縫的一條后面放置一個探測器。你會看到單個光子沿著這條或那條路徑到達終點，兩條路徑完全對等，走哪條的概率都是50%。

或者，光子也可以在路徑交匯后再進行測量，這種狀態(tài)稱為“閉合”。在這種情況下，你觀察到的結果將取決于干涉儀中這兩條路徑的長度。如果兩條路徑等長，光波的波峰同時到達某個探測器，發(fā)生相長干涉，那么光子就會100%打在這個探測器上，而其他探測器中完全沒有信號。但是，通過改變一條路徑的長度，你可以打破波前（wave front，即光波傳播最前方的波形）的同步，讓該探測器處的干涉從完全相長變成完全相消，讓它接收不到任何光子。這就相當于雙縫干涉實驗中，你從一個亮條紋移到了鄰近的一個暗條紋。

惠勒所作的改動在于，他把作出“如何測量光子”這個選擇的時間推遲了，我們可以等光子已經進入干涉儀之后，再來選擇干涉儀是“打開”還是“閉合”。這樣一來，光子就不可能“知道”究竟是該選一條路徑通過還是同時通過兩條路徑——如果它真如設想的那樣，不是粒子就是波動的話。

托馬斯·楊提出的雙縫干涉實驗，本來是為了支持光的波動說。 來源：howitworksdaily.com

非此即彼？

惠勒的實驗等了差不多30年才最終實現。為了保證實驗不受任何愛因斯坦偏愛的隱藏變量的影響，你需要有一臺非常大的干涉儀，大到即便以光速傳播，關于選擇作何測量的只言片語都無法及時傳遞給光子（愛因斯坦自己提出的相對論明令禁止超越光速傳遞信息）。2007年，阿蘭·阿斯派克特（Alain Aspect）在法國帕萊索光學研究所帶領他的小組，建造了一臺臂長（即上文提到的干涉儀中路徑的長度）達到48米的干涉儀。結果如何？在光子即將到達探測器的最后一刻，如果他們選擇“閉合”干涉儀，看到的就是波動干涉，如果選擇“打開”干涉儀，看到的就是粒子[2]。

波動行為和粒子行為似乎的確是表征物質“實在”的一體兩面，這個結論是繞不過去的。至于究竟表現出哪一面，這個由你決定。“這難道不夠美妙嗎？”阿斯派克特2012年在荷蘭費爾德霍芬Physics@FOM會議的一場公眾演講中驚嘆道，“我認為從這個實驗中，我們不可能得出其他結論?！?/p>

除非，你把事情弄得更奇怪一些。2011年12月，加拿大滑鐵盧量子計算研究所的拉杜·約尼喬尤（Radu Ionicioiu）和澳大利亞悉尼麥考瑞大學的丹尼爾·泰爾諾（Daniel Terno），把惠勒的思維實驗又擴展了一步[3]。他們加入的新花樣是，對光子進行何種測量，是像粒子那樣去測量它，還是像波動那樣去測量它，這個決定本身也可以是一個量子力學過程——不是明確的非此即彼，而是此與彼的某種尚未確定的疊加態(tài)。

無盡的暗影

有一個辦法能實現上述過程：你可以用光來控制用于探測光的接收器。你先準備好一個“控制”光子，處在兩個狀態(tài)的量子疊加態(tài)中——其中一種狀態(tài)會將干涉儀設置成“打開”，對應于測量粒子；另一個狀態(tài)則會把干涉儀設置成“閉合”，對應于測量波動。重點在于，只有當實驗中用到的、穿過干涉儀的“系統(tǒng)”光子被測量之后，你才去測量控制光子的狀態(tài)。對你而言，系統(tǒng)光子穿過的是一個既“打開”又“閉合”的干涉儀；連你都不知道自己打算測量波動還是測量粒子。那么，你會測量出什么結果呢？

這一次，實驗物理學家只花了幾個月時間，就迎頭趕上了理論物理學家飛奔的思緒。2012年，中國科學技術大學的李傳峰小組、英國布里斯托大學的杰里米·奧布賴恩（Jeremy O'Brien）小組，以及法國尼斯大學的塞巴斯蒂安·坦齊利（Sébastien Tanzilli）小組，以不同的方式實現了上述實驗，結果可謂驚天地泣鬼神——就連自認為已經對量子物理中的光怪陸離司空見慣的那些人，這次也著實領教了一番[4]。

答案揭曉，你看到的結果取決于控制光子。如果你只看系統(tǒng)光子的測量結果，而不去檢驗控制光子的狀態(tài)——這樣一來，你就永遠不知道你做的是何種測量——你會看到，打在干涉儀兩個探測器上的光子分布既非粒子也非波動，而是這兩種結果的某種含混不清的混合。如果粒子為黑波動為白，你看到的就是某種程度的灰色。

再做一次同樣的實驗，只不過這次留意一下控制光子的測量結果，結果就像戴上了一副魔法眼鏡?；疑宄胤蛛x成了黑色和白色。你能分清哪些系統(tǒng)光子穿過了“打開”的干涉儀，它們清楚地表現出粒子性。而那些穿過“閉合”干涉儀的系統(tǒng)光子，看起來就像是波動一樣。你選擇對控制光子做哪一種測量，系統(tǒng)光子就會展現出相應的“顏色”。

還有更奇怪的。量子力學不僅允許你把控制光子設置成兩個狀態(tài)的等概率混合，還允許你把兩個狀態(tài)按不同比例混合在一起。這就相當于，你可以把干涉儀設置成70%的時間“打開”，30%的時間“閉合”。如果我們測量一些通過這臺干涉儀的系統(tǒng)光子，先不戴上魔法眼鏡，我們又會看到含混不清的信號——但這一次，灰色的程度會更偏向于粒子的“黑色”，偏離波動的“白色”。一旦戴上魔法眼鏡，我們就會看到70%的系統(tǒng)光子明顯表現出粒子性，剩下的30%則表現出波動性。

根據設置方式的不同，干涉儀能夠用來“證明”光是粒子，是波動，或兩者都是都不是。 來源：新科學家

從某種意義上說，上述結果鞏固了玻爾對量子“實在”的看法。代表測量本質的控制光子的狀態(tài)，和代表物質“實在”的系統(tǒng)光子的狀態(tài)之間，存在一種緊密的關聯。進行更多的粒子測量，結果就會更偏向于粒子，反之亦如是。就像在更早的實驗中得出的結論一樣，愛因斯坦設想中的隱藏變量無法解釋這些實驗結果。

但從另一個角度來看，爭論仍在繼續(xù)。李傳峰解釋說：“我們的實驗打消了互補性原理所設定的常規(guī)邊界。”約尼喬尤也同意這種觀點?！皬牧Ｗ有缘讲▌有裕拖褚粭l連續(xù)光譜，互補性原理只揭示了黑白兩端，”他說，“這一實驗讓我們看到了中間的灰色地帶。”

那么，是不是說玻爾錯了？德國馬普量子光學研究所的約翰尼斯·科夫勒（Johannes Kofler）并不這么認為，“我真的非常非?？隙?，玻爾會完全接受這些實驗的結果。”互補性原理是量子力學“哥本哈根解釋”（Copenhagen interpretation）的核心所在，得名于玻爾的故鄉(xiāng)。該解釋本質上認為，我們之所以會在這樣的結果中看到矛盾，是因為我們的心智已經被以經典方式運行的宏觀宇宙所馴服，缺乏直觀認知量子世界的能力。科夫勒說：“哥本哈根解釋從一開始就沒有要求量子系統(tǒng)得符合任何'現實’的世界觀。”

最新的實驗結果只是印證了這種看法。我們之所以依賴“粒子”和“波動”這樣的概念，是因為它們看上去符合我們所熟悉的經典世界中的物質形態(tài)。但是，想用它們或任何非黑即白的概念去描述真正的量子“實在”，結局注定會以失敗而告終。

這一觀點直接把我們帶回到了柏拉圖的洞穴之中，約尼喬尤評論道。在那位古希臘先哲的寓言中，囚徒被拘于山洞之內，只看得見洞外物體投射在洞壁上的影子，永遠看不到那個物體本身。比如一個圓柱體，影子可能是一個長方形，也可能是一個圓，或者任何介于兩者之間的某個形狀。構筑“實在”的基本層次也存在類似情況，正如約尼喬尤所說，“有時候光子看起來像是波動，有時候又像是粒子，或者介于兩者之間?！倍皩嵲凇北旧?，并不是上述的任何一樣事物。至于它究竟是什么，我們沒有合適的詞語或概念能加以描述。

這才是真正的奇異之處。而在量子物理學家看來，這些不過是平常一天的工作而已。

參考文獻