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普通人都懂的量子和量子纠缠

发布: 2017-6-02 10:08 | 作者: 谢侯之



        但是,对于这种波,对于某位置点,打上来粒子的数目,不是确定的值。它表现的是几率。探测器测到的,只是每一时空点上,粒子打上来的几率。对这种波,人们直接能解释的只有几率。所以才叫它几率波。
        波函数就是几率波。几率波对应着物理学家实际测量到物理量。
        最开始,物理学家本事不高。单个粒子他测不了。只能测一堆粒子。最起码是上百万,甚至上千万。这种测量,叫做系综(ensemble)测量。所以在当时,人们认为这个几率波的几率,是真正统计意义上的几率,它对一堆粒子,有一种统计上的描述的意义。
        但是德布罗伊说,单一一个电子,它除了是粒子,它还有波长。那就是个“波包”(wavepacket)。传播的时候,既是一个粒子,但又是个“波包”,表现出波的性质。这个说法,到底成立不成立,最开始人们不知道。
        过了若干年,一直到五六十年代,物理学家长本事了。能够一个一个地发射光子或者电子,能够一个一个地真正测到单个光子或者电子了。(简单地说,改进探测器,使其增益大大提高,噪音大大降低)这时候,事情就热闹了。

        用单个粒子源和单个粒子探测器做双缝实验
        有了单光子源和单光子探测器,再做杨氏双缝,可以一个光子一个光子地发送,那边一个光子一个光子地测。这时记录的,是单个光子的行为了。
        但这事情就开始奇怪了。
        当把光源对准双缝,把光子一个一个地打过去,双缝后的点探测器阵列,一个一个地测到经双缝过来的光子。人们看到,每送一个光子,阵列中只有一个点探测器记录到光电子。从来没有两个或两个以上的点探测器同时记录到光电子的现象发生。
        这样,把光子一个一个打过去,阵列中一个又一个在不同位置的点探测器,不同时间记录到光电子。这儿一个,那儿一个,似乎完全随机。但是,在送了几百万个光子,就是做了系综测量之后,干涉条纹出来了。这个干涉条纹的分布,与历史上杨氏双缝干涉实验完全相同。它完满揭示了光的波动行为。这是一个单光子过双缝,出现了干涉现象。
         
        单个光子过双缝,光子选择为波。系综测量出现干涉条纹
        对一个单个光子过双缝会出现干涉的系综测量,或许应该稍加通俗点儿解释,让我们普通人对几率的现象有个生动些的认识。
        我们都知道,自然界存在几率的现象。一次两次,少量的测量,是摇摆不定的,不确定的。是没有意义的。只有多次大量的重复测量,才显现出某种确定。但实际上,这每次的单个的测量,它的随机,不是泛泛一般的随机,它是隐含着带了某种确定的随机。
        假设我们有个大体育场,场地铺满小方砖。让一万人进场组图。图形在小方砖上标了蓝色记号。这一万个人,一个一个进场。每个人进场后,随便乱站位,但是要找个蓝色记号的方砖。一个人两个人进场,看不出什么。但是,乱七八糟进了大量人之后,场上就出来了图形。这是说,每个人取位虽然随意,但每个人都心里带了组图的意思。每个人站位的随意,隐含带了组图的信息。同样是每个人进场的随便乱站,找蓝色记号的随便乱站,与不找蓝色记号的随便乱站是两回事儿。我们说:这每个单个的人是在组图。
        单个光子过双缝出现干涉图形也是这样。看起来是打了一个光子,又打了一个光子。它们在显示屏上这一点那儿一点,是随机位置。但显然,每个光子都清楚,它该做波。而双缝的间距不同,导致生出来的干涉图形,它的干涉条纹的宽窄呀,干涉条纹的间距呀等等,也不同。每个单个光子随机地,但是按双缝间距限定的干涉图形取位置。也就是说,单个光子随机位置的几率,是按生成干涉图形分布的。于是巨量(系综)之后,几率的结果就清晰出来,显示屏上出来一个干涉图形。因而我们说,单个光子经过双缝时,单光子发生了干涉。
        这下物理学家晕菜了。
        即使在普朗克和爱因斯坦的发现之后,人们对于杨氏双缝的解释也很简单:大家想像的是,若打在双缝的光波由一百万个光子组成,其中该有50万个光子走了左缝,另50万个光子走了右缝。由于相位差不同,两拨光子发生了相长相消的干涉。没人对这个解释有异议。
        可现在情况不同了。现在是一个光子一个光子地送到双缝,结果出现干涉。你不能说,前面的光子和后面的干涉呀。这只能解释为单个光子自己在跟自己干涉。
        但是,这一个单个光子是怎么跟自己干涉的呢?只有左缝的信息和右缝的信息合起来,才能确定出该是个什么样的干涉条纹图形呀,这涉及到条纹的宽窄,干涉条纹的间距等等。假若这个单光子纯粹是个波,也好办,一个波经过双缝,在双缝屏另一边左缝右缝里各生出来一个子波,两个波相长相消,发生干涉。但这是一个单个的光子,那么,是半个光子走了左缝,另半个光子走了右缝,然后它们叠加产生了干涉吗?光子是不可分的呀!
        其实,爱因斯坦马上意识到问题的严重性。他向物理界同行发出警告:我们面对两难(徉谬),难以自圆其说。
        的确,物理学家要回答一个简单但是艰难的问题:一个光子,面对双缝,它是从一路走单缝呢,还是从两路走双缝?一个光子走一路,符合其粒子性,从粒子角度出发没问题,但从一路走,干涉条纹从哪里来的呢?一个光子走两路,可以解释干涉条纹,从波的角度出发没问题。问题是:一个不可分的光子是如何走两路的呢?
         
        转自美国《New Yorker》杂志:这人怎么走的两路的呢?他是不可分的呀
        以上问题不止适于单光子,对于单电子,对任何单粒子都适用。

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删除 引用 风正淳   post at 2017-6-08 22:04:13
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