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

 

延迟选择实验及其引发的实在问题

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
中图分类号:No31 文献标识码:A

 

  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

 

 

2004年6月20日加入