光的本質(zhì)是粒子還是波動(dòng)？這場(chǎng)爭論一直可以追溯到古希臘的先哲那里。 來(lái)源：新科學(xué)家

核心之秘

      量子物理以宣稱(chēng)雙方都對的方式，解開(kāi)了這個(gè)死結。表明上的證據，來(lái)自一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗的量子版本。頗具戲劇色彩的是，英國物理學(xué)家托馬斯 · 楊（Thomas Young）于1803年最初提出這個(gè)實(shí)驗，是為了支持光的波動(dòng)理論。在這個(gè)現在名為“楊氏雙縫干涉”的實(shí)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(guān)察到了明暗相間的豎直條紋。這似乎毫無(wú)疑問(wèn)地表明光的波動(dòng)本質(zhì)，因為水波也會(huì )以同樣的方式衍射過(guò)堤岸上的兩個(gè)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(cháng)干涉，有些地方水波相互抵消，發(fā)生相消干涉。

      不過(guò)當你降低光的強度，直到每次只有一個(gè)光子進(jìn)入整個(gè)實(shí)驗裝置時(shí)，奇異之旅就開(kāi)始了。1905年，愛(ài)因斯坦已經(jīng)明確提出，單個(gè)光子是一個(gè)粒子。（愛(ài)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(shí)，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(tīng)到單個(gè)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(huì )發(fā)現當年托馬斯 · 楊所觀(guān)察到的明暗相間的圖案，在屏幕上慢慢重現。這個(gè)結果似乎又表明，每個(gè)光子都是同時(shí)穿過(guò)兩條狹縫的波動(dòng)。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(gè)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(guò)是量子理論的一條原理罷了，他稱(chēng)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(zhì)——既是波動(dòng)，也是粒子，而且每次只能觀(guān)測其一，不可能同時(shí)出現。那么，是什么決定著(zhù)一個(gè)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(kāi)的物理學(xué)家大會(huì )上，玻爾提出了一個(gè)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(dòng)則見(jiàn)波動(dòng)。

      物理“實(shí)在”取決于觀(guān)察者的意志，這個(gè)想法極大地冒犯了愛(ài)因斯坦鐘愛(ài)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(zhù)名的EPR論文

      這并非無(wú)端的陰謀論調。想象一場(chǎng)爆炸，兩塊碎片朝相反的兩個(gè)方向飛出。爆炸遵從動(dòng)量守恒，兩塊碎片的質(zhì)量和速度因此被關(guān)聯(lián)在一起。但如果你對動(dòng)量守恒一無(wú)所知，你或許會(huì )輕易得出結論，認為測量一塊碎片的性質(zhì)決定了另一塊碎片的性質(zhì)，而不知道所有結果在爆炸發(fā)生時(shí)就已經(jīng)確定。量子世界是否也由類(lèi)似的隱藏“實(shí)在”所控制？

      惠勒的思維實(shí)驗就在此時(shí)橫空出世了。為了解決“什么告訴光子如何行止”這個(gè)難題，他用到了雙縫干涉實(shí)驗的一個(gè)升級版本。在這個(gè)思維實(shí)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(kāi)”狀態(tài)，對光子進(jìn)行測量就相當于在雙縫實(shí)驗的兩條狹縫的一條后面放置一個(gè)探測器。你會(huì )看到單個(gè)光子沿著(zhù)這條或那條路徑到達終點(diǎn)，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(jìn)行測量，這種狀態(tài)稱(chēng)為“閉合”。在這種情況下，你觀(guān)察到的結果將取決于干涉儀中這兩條路徑的長(cháng)度。如果兩條路徑等長(cháng)，光波的波峰同時(shí)到達某個(gè)探測器，發(fā)生相長(cháng)干涉，那么光子就會(huì )100%打在這個(gè)探測器上，而其他探測器中完全沒(méi)有信號。但是，通過(guò)改變一條路徑的長(cháng)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(cháng)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(shí)驗中，你從一個(gè)亮條紋移到了鄰近的一個(gè)暗條紋。

惠勒所作的改動(dòng)在于，他把作出“如何測量光子”這個(gè)選擇的時(shí)間推遲了，我們可以等光子已經(jīng)進(jìn)入干涉儀之后，再來(lái)選擇干涉儀是“打開(kāi)”還是“閉合”。這樣一來(lái)，光子就不可能“知道”究竟是該選一條路徑通過(guò)還是同時(shí)通過(guò)兩條路徑——如果它真如設想的那樣，不是粒子就是波動(dòng)的話(huà)。

托馬斯·楊提出的雙縫干涉實(shí)驗，本來(lái)是為了支持光的波動(dòng)說(shuō)。 來(lái)源：howitworksdaily.com

惠勒的實(shí)驗等了差不多30年才最終實(shí)現。為了保證實(shí)驗不受任何愛(ài)因斯坦偏愛(ài)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(guān)于選擇作何測量的只言片語(yǔ)都無(wú)法及時(shí)傳遞給光子（愛(ài)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(xué)研究所帶領(lǐng)他的小組，建造了一臺臂長(cháng)（即上文提到的干涉儀中路徑的長(cháng)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(dòng)干涉，如果選擇“打開(kāi)”干涉儀，看到的就是粒子[2]。

波動(dòng)行為和粒子行為似乎的確是表征物質(zhì)“實(shí)在”的一體兩面，這個(gè)結論是繞不過(guò)去的。至于究竟表現出哪一面，這個(gè)由你決定?！斑@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(huì )議的一場(chǎng)公眾演講中驚嘆道，“我認為從這個(gè)實(shí)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(xué)的丹尼爾·泰爾諾（Daniel Terno），把惠勒的思維實(shí)驗又擴展了一步[3]。他們加入的新花樣是，對光子進(jìn)行何種測量，是像粒子那樣去測量它，還是像波動(dòng)那樣去測量它，這個(gè)決定本身也可以是一個(gè)量子力學(xué)過(guò)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(wú)盡的暗影

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

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

答案揭曉，你看到的結果取決于控制光子。如果你只看系統光子的測量結果，而不去檢驗控制光子的狀態(tài)——這樣一來(lái)，你就永遠不知道你做的是何種測量——你會(huì )看到，打在干涉儀兩個(gè)探測器上的光子分布既非粒子也非波動(dòng)，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(dòng)為白，你看到的就是某種程度的灰色。

再做一次同樣的實(shí)驗，只不過(guò)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。你能分清哪些系統光子穿過(guò)了“打開(kāi)”的干涉儀，它們清楚地表現出粒子性。而那些穿過(guò)“閉合”干涉儀的系統光子，看起來(lái)就像是波動(dòng)一樣。你選擇對控制光子做哪一種測量，系統光子就會(huì )展現出相應的“顏色”。

還有更奇怪的。量子力學(xué)不僅允許你把控制光子設置成兩個(gè)狀態(tài)的等概率混合，還允許你把兩個(gè)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(shí)間“打開(kāi)”，30%的時(shí)間“閉合”。如果我們測量一些通過(guò)這臺干涉儀的系統光子，先不戴上魔法眼鏡，我們又會(huì )看到含混不清的信號——但這一次，灰色的程度會(huì )更偏向于粒子的“黑色”，偏離波動(dòng)的“白色”。一旦戴上魔法眼鏡，我們就會(huì )看到70%的系統光子明顯表現出粒子性，剩下的30%則表現出波動(dòng)性。

根據設置方式的不同，干涉儀能夠用來(lái)“證明”光是粒子，是波動(dòng)，或兩者都是都不是。 來(lái)源：新科學(xué)家

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

但從另一個(gè)角度來(lái)看，爭論仍在繼續。李傳峰解釋說(shuō)：“我們的實(shí)驗打消了互補性原理所設定的常規邊界?！奔s尼喬尤也同意這種觀(guān)點(diǎn)?！皬牧Ｗ有缘讲▌?dòng)性，就像一條連續光譜，互補性原理只揭示了黑白兩端，”他說(shuō)，“這一實(shí)驗讓我們看到了中間的灰色地帶?！?/p>

那么，是不是說(shuō)玻爾錯了？德國馬普量子光學(xué)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(huì )完全接受這些實(shí)驗的結果?！被パa性原理是量子力學(xué)“哥本哈根解釋”（Copenhagen interpretation）的核心所在，得名于玻爾的故鄉。該解釋本質(zhì)上認為，我們之所以會(huì )在這樣的結果中看到矛盾，是因為我們的心智已經(jīng)被以經(jīng)典方式運行的宏觀(guān)宇宙所馴服，缺乏直觀(guān)認知量子世界的能力?？品蚶照f(shuō)：“哥本哈根解釋從一開(kāi)始就沒(méi)有要求量子系統得符合任何'現實(shí)’的世界觀(guān)?！?/p>

最新的實(shí)驗結果只是印證了這種看法。我們之所以依賴(lài)“粒子”和“波動(dòng)”這樣的概念，是因為它們看上去符合我們所熟悉的經(jīng)典世界中的物質(zhì)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(shí)在”，結局注定會(huì )以失敗而告終。

這一觀(guān)點(diǎn)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(jiàn)洞外物體投射在洞壁上的影子，永遠看不到那個(gè)物體本身。比如一個(gè)圓柱體，影子可能是一個(gè)長(cháng)方形，也可能是一個(gè)圓，或者任何介于兩者之間的某個(gè)形狀。構筑“實(shí)在”的基本層次也存在類(lèi)似情況，正如約尼喬尤所說(shuō)，“有時(shí)候光子看起來(lái)像是波動(dòng)，有時(shí)候又像是粒子，或者介于兩者之間?！倍皩?shí)在”本身，并不是上述的任何一樣事物。至于它究竟是什么，我們沒(méi)有合適的詞語(yǔ)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(xué)家看來(lái)，這些不過(guò)是平常一天的工作而已。

參考文獻