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雙縫實驗 |
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一種以馮·諾依曼為代表，他在《量子力學的數學基礎》一書中提出了或許是最早的測量理論，其中有如下命題： “觀察者在測量終結時看到儀器指針的讀數，是導致被測量的對像從不確定狀態過渡到確定狀態的決定性因素。因此，如果不提到人類意識，就不可能表述一個完備的、前後一貫的量子力學的'測量理論'”。按照馮·諾依曼的這種意見，“主觀的介入”乃是量子退相干的根本原因，換句話說，量子相干性消失，歸根結底是由於“人眼的一瞥”。 德國物理學家吉·路德維希則持的相反的觀點，他拒絕“感覺”、“知識”和“意識”等用語出物理學中，並且把宏觀儀器看成一個處於熱力學亞穩態的宏觀系統，把測量理解為宏觀儀器受到微觀系統的擾動向熱力學穩態演化。因此，測量不再是“客體與主體之間的一個不可分的鏈環”，而是一個“微觀系統與一個宏觀系統之間的一個不可分的鏈環”。 意大利物理學家丹內裡、朗格和普洛斯佩里在路德維希的工作的基礎上建立了一種精緻的測量理論，簡稱為DLP理論。按照這種理論，測量之所以導致量子態相干性的消失，是被觀測的微觀系統自身經歷的一個具有“各態歷經”特徵的過程，並不需要“人眼的一瞥”。 在路德維希的工作的基礎上建立另一種的測量理論是“退相干理論”，它把測量過程中量子態相干性的消失理解為由於“量子糾纏”而導致的一個動力學過程，即使觀察者不在場也照樣發生，其中儀器只不過起著“記錄”的作用。 在這裡，我們不去考察DLP理論與“退相干理論”之間的異同，僅提出如下問題：能不能用實驗來判定路德維希的觀點與馮?諾伊曼的觀點孰是孰非？ 讓我們回到費曼的關於“觀察電子”導致干涉條紋消失的理想實驗。在這個實驗中，我們滿可以放置上光源而不觀察電子，從實驗結果是否出現干涉條紋就能判定測量過程是否要求“主觀的介入”了。 費曼本人沒有對這一問題給出確切的回答。他一方面說：“也許這是由於點上光源而把事情搞亂了？……我們知道，光的電場作用在電荷上時會對電荷施加一個作用力。所以也許我們應當預期運動要發生改變。不管怎樣，光對電子有很大的影響。在試圖跟踪電子時，我們改變了它的運動。也就是說，光對電子的反沖足以改變其運動，……這就是為什麼我們不再看到波狀干涉效應的原因。”按照這種作用機制，只要點上光源，不論我們觀察不觀察電子，干涉條紋都會消失。可另一方面，費曼又說：“假如電子沒有被看到，我們就會發現干涉現象。”還說：“當我們觀察電子時，它們在屏上的分佈沒有乾涉條紋；當我們不觀察電子時，它們在屏上的分佈有乾涉條紋。”照這麼說，即使點上光源，只要我們不觀察電子，干涉條紋就不會消失。 我們看到，費曼的上述回答是自相矛盾的。然而，如果想藉助於費曼的理想實驗來判斷上面兩個結論孰是孰非，困難並不在於費曼的上述回答，而在於如下事實：電子太小，我們不能在光的照耀下跟踪它。因此，還須作一些技術上的改進我們才能實現費曼的這個理想實驗。在這裡，我們提出如下建議。 判決實驗 考慮一個連續地發射成對電子的電子源，讓每一對電子都精確地朝相反的方向運行（或者精確地成某一角度），從而形成相向運動的兩個電子束R與R'。讓R通過一個開有雙縫的隔板L，落在某一可以探測電子位置的屏上。同時，又讓R'中的電子飛向一個與L極對稱的另一隔板L'。這個隔板只有一條縫S，它有如下性質：設e是R中的一個落在屏上的電子，e'是它在R'中的配偶，則當且僅當e越過L的第一條縫時e'會越過縫S。這樣，從e'是否越過縫S我們就知道e通過的是L的哪一條縫。下面，我們把這個實驗記作T。 對於電子束R，實驗T是一個雙縫衍射實驗。我們問：如果L上的雙縫同時打開，屏上的電子分佈會不會呈現出乾涉條紋。 如果觀察者跟踪R'的每一個電子，看它是否通過縫S，則觀察者就間接地知道電子束R的每一個電子經過的是哪一條縫，從而命題B成立。按照費曼的意見，命題A也隨之成立，從而屏上不會有乾涉條紋。略去不言而喻的先決條件，我們可以把費曼的這一結論表成： （a）如果觀察者跟踪R'的電子，則乾涉條紋將消失。 那麼，如果其它條件不變，只是觀察者不再跟踪R'的電子，干涉條紋會不會消失呢？ 按照馮·諾依曼的意見，由於沒有觀察者的跟踪，對R'的電子的測量就少了“人眼的一瞥”這一決定性的最終環節。在這種殘缺不全的測量過程中，該電子不會從“不確定狀態”過渡到“確定狀態”，從而屏上的干涉條紋不會消失。因此， （b）只要觀察者不跟踪R'的電子，干涉條紋就不會消失。 反之，如果測量是“微觀系統與一個宏觀系統之間的一個不可分的鏈環”，則有 （c)R在屏上的干涉條紋會不會消失，只與客觀的實驗條件有關，與觀察者是否知道R'的電子的行為無關。 從命題（a）與命題（c）得出結論： （d）即使觀察者不跟踪R'的電子，干涉條紋也會消失。 這就是路德維希的意見。 於是，如果實驗T的結果是（b），則路德維希的觀點是錯誤的；如果實驗T的結果是（d），則馮·諾依曼的觀點是錯誤的。由此可見，實驗T的結果至少會“證偽”上述兩種觀點中的一種。 然而，雖然（b）與（d）相互排斥，（c）與（d）卻可以同時成立。因此，即使實驗T出現了結果（b），也僅僅否定路德維希所預期的結果（d），卻並未否定路德維希的基本觀點（c）。如果仍然堅持基本觀點（c），則從實驗結果（b）將得出結論：命題（a）不成立。換句話說就是 （e）即使觀察者跟踪R'的每一個電子，從而知道了R的每一個電子到底是經過哪一條縫，屏上仍然會有乾涉條紋。 這是實驗T可能出現的第三種結果。這種結果對量子力學來說意味著什麼呢？ 費曼曾經把測不准關係表成：不可能設計出一種儀器，它能在雙縫衍射實驗中確定電子到底是經過哪一條縫，而同時又不擾動干涉圖案。他還說：測不准原理以這種方式“保護”著量子力學，如果誰設計出這種破壞測不准關係的儀器，量子力學的大廈就將倒塌，量子力學就以這樣的冒險而又準確的方式繼續存在著。 如果實驗T出現了第三種結果（e），則它所用的儀器就是費曼所說的破壞測不准關係的儀器，從而給量子力學帶來災難。誠然，即使出現了這樣的災難，倒塌的也不是量子力學的形式體系，而只是費曼們對量子力學的詮釋。 實際上，上面提到的各種測量理論，都確認一個前提：在實驗T中，命題（a）肯定成立：如果觀察者跟踪R'的電子，則乾涉條紋將消失。而乾涉條紋的消失，則起源於對電子束R'中的電子的觀測，只不過對於不同的測量理論，被觀測的電子將經歷不同的過程。對於馮·諾依曼測量理論來說，它是最終由於“人眼的一瞥”而導致的一個從不確定狀態過渡到確定狀態的過程；對於DLP測量理論來說，它是由於被觀測的電子自身的“各態歷經”而導致的一個統計力學過程；對於“退相干理論”來說，它是由於“量子糾纏”而導致的一個動力學過程。所有這些理論都要求R'的電子與其R中的配偶有某種神秘的“非定域關聯”。因此，如果愛因斯坦還活著，他大概會期待實驗T出現第三種結果（e），因為這種結果有利於他心愛的“定域性原理”。 |
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