双缝实验和量子力学

诺贝尔奖得主、著名物理学家理查德·费曼曾说：“双缝实验包含了量子世界的全部奥秘。” 
我们在中学物理课都会学到，一道光穿过两道狭缝后将会发生干涉形成明暗条纹，这就是众所周知的双缝实验。如果只让单个光子进入设备，光子竟然也会自己与自己发生干涉，在多次实验后同样形成明暗条纹。更神奇的是，一旦研究者试图探测光子到底通过了哪道狭缝，干涉条纹即刻就消失了，仿佛能感知到我们的意识一般。
托马斯·杨在19世纪早期设计了这个模型，以证明光像波一样运动，这与艾萨克·牛顿的粒子观点形成了鲜明的对比。近一个世纪后，阿尔伯特·爱因斯坦证明了光以量子或粒子的形式存在，这个实验成为爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间关于现实本质的激烈辩论的关键。可以说，双缝实验串起了人类对物质世界规律，乃至现实本质的探索。十年又十年，一个又一个假设，科学家们以这个实验为蓝本，回答了关于宇宙结构的越来越深的问题，它也催生了2022年诺贝尔物理学奖。
在这本书中，作者周游世界，穿越历史，深入探索了我们尚未了解的物质现实的最小尺度，为读者展现了一幅兼具科学与美感的画卷。

阿尼尔·阿南塔斯瓦米，《新科学家》杂志的前任副主编和现任顾问，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校科学写作项目客座编辑。他为《国家地理新闻》《探索》等杂志撰稿，并且是美国公共广播公司（PBS）新星纪录片频道开设的博客“现实的本性”的专栏作者。他曾获得英国物理学会物理新闻奖和英国科学作家协会最佳调查新闻奖。他的shou部著作《湿婆之舞》被评为《物理世界》“2010年年度图书奖”。  

序言 大自然对我们的嘲弄 III
第1章 回顾双孔实验 001
理查德·费曼对中心谜题的解释
第2章 “存在”的意义是什么？ 017
通向现实的道路：从哥本哈根到布鲁塞尔
第3章 现实与知觉 047
如何只用一个光子做双缝实验
第4章 神圣经文的启示 075
揭秘幽灵般的超距作用
第5章 擦除，还是不擦除 089
山顶实验带我们逼近真相
第6章 博姆狂想曲 121
显而易见的本体以显而易见的方式演化
第7章 找到最大的薛定谔的猫 155
将时空引入量子理论
第8章 修复丑陋的伤疤 181
名为多重世界的药方
后记 用不同的方式看待相同的事物？ 213
注释 223
致谢 243
作者介绍 247

诺贝尔奖得主、著名物理学家理查德·费曼曾说：“双缝实验包含了量子世界的全部奥秘。” 
我们在中学物理课都会学到，一道光穿过两道狭缝后将会发生干涉形成明暗条纹，这就是众所周知的双缝实验。如果只让单个光子进入设备，光子竟然也会自己与自己发生干涉，在多次实验后同样形成明暗条纹。更神奇的是，一旦研究者试图探测光子到底通过了哪道狭缝，干涉条纹即刻就消失了，仿佛能感知到我们的意识一般。
托马斯·杨在19世纪早期设计了这个模型，以证明光像波一样运动，这与艾萨克·牛顿的粒子观点形成了鲜明的对比。近一个世纪后，阿尔伯特·爱因斯坦证明了光以量子或粒子的形式存在，这个实验成为爱因斯坦和尼尔斯·玻尔之间关于现实本质的激烈辩论的关键。可以说，双缝实验串起了人类对物质世界规律，乃至现实本质的探索。十年又十年，一个又一个假设，科学家们以这个实验为蓝本，回答了关于宇宙结构的越来越深的问题，它也催生了2022年诺贝尔物理学奖。
在这本书中，作者周游世界，穿越历史，深入探索了我们尚未了解的物质现实的最小尺度，为读者展现了一幅兼具科学与美感的画卷。

阿尼尔·阿南塔斯瓦米，《新科学家》杂志的前任副主编和现任顾问，加利福尼亚大学圣克鲁斯分校科学写作项目客座编辑。他为《国家地理新闻》《探索》等杂志撰稿，并且是美国公共广播公司（PBS）新星纪录片频道开设的博客“现实的本性”的专栏作者。他曾获得英国物理学会物理新闻奖和英国科学作家协会最佳调查新闻奖。他的shou部著作《湿婆之舞》被评为《物理世界》“2010年年度图书奖”。  

序 言
大自然对我们的嘲弄
在我见过的所有物理学家的办公室里，这肯定是最简约的一间。一张小桌子旁边是一把椅子，桌上什么也没有。没有书，没有论文，没有台灯，没有电脑，什么也没有。唯一称得上装饰性的东西只有一张沙发。巨大的窗户俯瞰着一汪小湖，湖边的树都是光秃秃的，只有个别落叶晚的树上还有一些秋叶，执着地拒绝加拿大安大略省的寒冬的来临。卢西恩·哈迪（Lucien Hardy）把笔记本电脑往桌上一放，他说自己大部分的研究工作都是在咖啡厅完成的，所以他的办公室只需要一张咖啡厅那样的桌子，能搁下笔记本电脑就行。
黑板当然是必不可少的，哈迪办公室里的这块黑板几乎占了一整面墙。他开始在上面写写画画，没过多久，黑板上就满是图形和公式——绝大多数我认识的量子物理学家都喜欢这样做。
我们刚开始讨论的话题是深奥的量子力学，结果哈迪停下来，说：“我选错了切入点。”为了重启我们的讨论，他说：“假设你有一家制造炸弹的工厂。”他的话勾起了我的兴趣。
他在黑板上写了两个名字：伊利泽和韦德曼。他要讲的正是“伊利泽–韦德曼炸弹问题”。这个问题由两位以色列物理学家的姓氏命名，它的目的是让不搞物理学研究的人也能理解量子世界的反直觉本质。即使是对物理学家来说，量子世界的性质也很令人困惑。
炸弹问题的内容如下。假设有一家生产炸弹的工厂，它给炸弹装配的触发装置十分灵敏，以至于一个粒子（无论什么粒子，哪怕是一个光子）都能引爆炸弹。但这家工厂碰到了一个难题：该厂的组装线不过关，所以带触发装置的合格炸弹里混着大量不带触发装置的次品炸弹。哈迪将这两种炸弹分别标记为“好炸弹”和“坏炸弹”，然后开玩笑说：“显然，如果你的道德标准异于常人，好和坏也可以互换。” 
我们的任务是设法识别哪些炸弹是合格的。这意味着我们必须检查炸弹是否安装了触发装置。但逐个检查炸弹的方法是不可行的， 因为要查看触发装置就需要光，而无论是多么微弱的光，都会导致合格的炸弹爆炸。检查到最后，我们就只剩下一堆没有触发装置的哑弹了。
那么，这个问题究竟要如何解决呢？我们不妨做一个让步：允许引爆一部分炸弹，前提是最后可以剩下一些能用的好炸弹。
从我们对于世界是如何运作的日常经验来看，这个问题是无解的。但量子世界（微观事物，比如分子、原子、电子、质子和光子所在的世界）本来就很奇特。研究微观世界里的物理现象的物理学科被称为量子物理学或量子力学。而我们可以利用量子物理学，在不引爆好炸弹的情况下把它们找出来。只需一套简单的装置，就能保全大约一半的好炸弹。我们要用到的是一个已经有200 年历史的物理实验以及它的现代改良版本。
这个实验被称为双缝实验，在19 世纪初被提出，最初的目的是挑战牛顿对于光的本质的看法。20 世纪初，量子物理学的两位奠基人——阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔——为双缝实验究竟揭示了现实的何种本质而争得不可开交，两人的争论让这个实验再次成黑板当然是必不可少的，哈迪办公室里的这块黑板几乎占了一整面墙。他开始在上面写写画画，没过多久，黑板上就满是图形和公式——绝大多数我认识的量子物理学家都喜欢这样做。
我们刚开始讨论的话题是深奥的量子力学，结果哈迪停下来，说：“我选错了切入点。”为了重启我们的讨论，他说：“假设你有一家制造炸弹的工厂。”他的话勾起了我的兴趣。
他在黑板上写了两个名字：伊利泽和韦德曼。他要讲的正是“伊利泽–韦德曼炸弹问题”。这个问题由两位以色列物理学家的姓氏命名，它的目的是让不搞物理学研究的人也能理解量子世界的反直为焦点。20 世纪60 年代，理查德·费曼对双缝实验大加赞赏，称它包括了量子世界的全部奥秘。很难找到一个比它更简单同时又更精巧的实验：双缝实验的原理连高中生都能理解，但它的内涵却深邃无比，连爱因斯坦和玻尔都没能参透，这个实验引起的困惑直到今天都没有得到解答。
本书将通过一个经典实验以及这个经典实验巧妙而复杂的改良版本（该版本解决了伊利泽–韦德曼炸弹问题，后文会详细介绍）， 讲述量子力学的故事。无论是智慧的头脑想出的思想实验，还是在物理系地下室通过艰苦努力完成的实验项目，所有这些实验都是双缝实验的变体。这是一个关于大自然如何嘲弄我们的故事：有本事就来抓我啊。
第1章
回顾双孔实验
理查德·费曼对中心谜题的解释
世界上再没有比现实更离奇和抽象的东西了。2
——乔治·莫兰迪
这一天距离理查德·费曼获得诺贝尔物理学奖还有一年的时间。费曼出版过一本好玩的自传，他在书里形容自己是个心直口快的科学家，对一切都很感兴趣，无论是破解保险箱还是打鼓。这本自传让许多非物理学背景的人认识了费曼其人，但那已经是20多年后的事了。而在1964年11月，对纽约州伊萨卡市康奈尔大学的学生们来说，眼前的费曼早已是个响当当的明星，他们对他的到来表示了热烈的欢迎。3费曼此行的目的是举办一系列讲座。康奈尔编钟奏响了校歌《远在卡尤加湖之上》，教务长在介绍费曼时称他是一位卓越的导师和物理学家，当然，他也没忘记提费曼是个出色的邦戈鼓手。在一种欢迎表演艺术家的掌声中，费曼大步走上台，以下面这个回应作为演讲的开场：“真奇怪，我偶尔也会在正式场合被叫到台上表演邦戈鼓，可是主持人似乎从来不觉得有必要提一下其实我还搞理论物理研究。”4
等到了第6场演讲，面对还在鼓掌的学生，费曼没有说任何开场白便直接切入了正题，甚至连一句客套的“大家好”都没有。他想要探讨的是，虽然直觉可以帮助我们应付看得到、听得到和摸得到的日常事物，但它却难以理解大自然在微观尺度上的表现。
他说，经常是实验挑战了我们对这个世界的直观认识。“于是， 我们便看见了意想不到的东西，”费曼说，“这些东西与我们的想象差距巨大。所以我们的想象力被发挥到极致——这与写小说不同， 不是幻想现实中不存在的事物，而是通过极致的想象，来认识和理解实际存在的东西。我想谈论的正是类似的情况。”5 
这个讲座是关于量子力学的，也就是研究微观事物的物理学分支。量子力学尤其关注光和亚原子物质（如电子）的性质。换句话说，它要研究的正是现实的本质。光和电子会（像水一样）表现出波动性吗？还是说它们更像粒子（比如沙粒）？就目前看来，回答“是”或者“否”都是既正确又不正确的。任何试图将微观的亚原子实体具象化的努力，都只是我们的直觉在自取其辱。
“它们的行为遵循自己独特的方式，”费曼说，“用术语来讲，我们可以将其称为‘量子力学’的方式。它们的行为与你见过的任何事物都不同。无论你有多少见识都是不够的——你的见识不完备。在极其微小的尺度上，事物的表现具有根本性的不同。它们的行为不只是像粒子，也不只是像波。”6 
不过好在，至少光和电子的行为是“完全相同的”，费曼说，“那就是，二者都很古怪”。7 
费曼提醒现场的听众，接下来的讲座内容会有些难懂，因为它将挑战听众在大自然如何运作这个问题上的长久共识：“但其实，这种难是心理上的，是你施加给自己的永恒折磨，因为你总对自己说： ‘可它怎么能是那样的呢？’这种想法源于你控制不住自己想要用熟悉的事物来类比的冲动，但我认为这终究是徒劳的。我不会用任何熟悉的事物做类比，只是单纯地进行描述。”8
于是，为了能在接下来的一个小时里通过引人入胜的演讲表明自己的观点，费曼把重点放在了“一个旨在反映量子力学全部奥秘的实验”上，它“将让你直面大自然的自相矛盾、神秘莫测和稀奇古怪”。9
这个实验就是双缝实验。很难想象有哪个实验能比它更简单，而在读这本书的过程中，你会发现它虽然简单，却令人感到无比困惑。我们首先需要一个光源，然后在光源前放置一块不透光的板子，板子上开出两道狭窄且间距很小的狭缝或口子，这为光线的传播提供了两条不同的路径。在板子的另一边立一块屏幕，你觉得你能在这块屏幕上看到什么？
这个问题的答案——根据我们所熟悉的现实生活中的经验——取决于回答者如何看待光的本质。在17世纪末和整个18世纪，艾萨克·牛顿的观点主导了我们对于光的看法。他认为光由微小的粒子构成，并把这种微粒称为“光微粒”。
牛顿之所以提出光的“微粒说”，部分是为了解释为何光不能像声音一样拐弯。牛顿认为，光肯定是由粒子构成的，因为只有这样，才能解释光线在没有外力作用的情况下不会弯曲的现象。费曼在讲座中讲解双缝实验时，首先考虑了用粒子轰击双缝的情况。为了强调实验对象的粒子性，他让在场的人忘掉亚原子粒子（比如电子和光微粒），转而想象我们在开枪发射子弹——子弹总是“一颗一颗”的。为避免太多暴力的联想（序言里已经提过了炸弹， 后面还有用到枪械火药的思想实验），我们不如想象有这样一种机器，它喷射的是沙粒，而不是子弹。我们都知道，虽然沙粒比子弹小得多，但它也是一颗一颗的。
第一步，我们只用左侧或者右侧的狭缝来做实验。假设沙粒的速度足够快，我们可以把它们的运动轨迹看成直线。经过这样的处理，绝大多数沙粒都会在穿过狭缝后，落到狭缝正后方一个与狭缝相对应的区域内。正中间的数量最多，越往两侧越少。在下图的曲线图中，曲线越高，代表落在该处的沙粒数量越多。
如果我们用两条狭缝来做实验，又会看到什么样的结果呢？正如很多人所预料的，每粒沙子都会从两条狭缝中的一条穿过，然后击中位于屏障另一侧的光屏。有多少沙粒穿过两条狭缝，就有多少沙粒击中后方的光屏。这种简单易懂的运动方式非常符合非量子世界，也就是牛顿运动定律所描绘的经典世界的日常经验。
为了向你证明实验结果的确如此，我们可以把整个实验装置竖起来，让沙子从上而下落在带有两条狭缝的屏障上。10 很容易想见， 穿过狭缝的沙子应该会在开口的正下方形成两个小沙堆。
把实验装置恢复原位，想象这次入射的不是沙子，而是光线， 并且假设光是由牛顿所说的光微粒构成的。根据沙粒实验的结果推断，我们应当能在光屏上看到两条光带，它们分别位于左右两条狭缝的正后方，每条光带都是中间最亮，越往两侧越暗，除此之外， 我们只要把击中光屏的光微粒悉数相加，就能算出总共有多少光微粒穿过两条狭缝。
可惜，实验的结果却并非如此。从穿越双缝的表现来看，光并不像是由粒子构成的。
哪怕在比牛顿更早的年代，人们就已经观察到了一些不符合牛顿的光微粒说的现象。举个例子，当光从一种介质进入另一种介质时——比如，光从空气进入玻璃，然后再从玻璃进入空气——它的传播路线会发生变化（这种现象被称为折射，正是我们制作玻璃透镜的原理）。如果认为光是由粒子构成的，那就很难解释它在穿越不同的介质时为什么会出现折射的现象，因为无论是从空气进入玻璃，还是从玻璃进入空气，想要改变粒子行进的方向就必须对它们施加外力的作用。但是，如果把光看成是一种波，折射现象就可以解释了（波在空气和玻璃里传播的速度不同，这解释了它在跨越不同介质时传播方向发生变化的现象）。这也正是荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯在17世纪提出的观点。惠更斯主张光是一种波，就像声波一样。鉴于声音的传播必须依靠介质的振动，惠更斯假想存在一种名为“以太”的介质，弥漫在我们周围的空间里，而它的振动便是光的本质。
这是一个严肃的理论，由一位天赋异禀的科学家提出。惠更斯是一名物理学家、天文学家兼数学家。他曾亲手打磨透镜，并用自制的天文望远镜发现了土星的卫星——土卫六（2005年，人类的探测器首次登陆土卫六，探测器名叫惠更斯号，以纪念他的贡献）。他还独立发现了猎户星云。1690年，惠更斯出版了《光论》一书，他在这部著作里详细论述了光的波动理论。
牛顿和惠更斯生活在同一时代，但牛顿的名声更为显赫。毕竟，是他提出了运动三大定律以及万有引力定律，解释了从日常生活中的抛物线到行星绕太阳运行的轨迹的一切现象。不仅如此，牛顿还是个相当博学的通才，在各个领域都颇有建树（作为数学家，他创立了微积分，他甚至曾大胆涉足化学、神学，撰写过《圣经》评注，至于在物理学上的成就，我就不必多费口舌了）。这么看来，牛顿的光微粒理论能压惠更斯的波动理论一头也是情有可原的。在“光是什么”这个问题上，世人还需要一位能与牛顿分庭抗礼的全才来打开局面。

这本书像是一部具有挑战性但有益处的调查纪录片，讲述了科学家们努力探索大自然最深处、最奇异的秘密的故事。
——《华尔街日报》

这是一次关于实验室如何铸就尖端物理学的迷人之旅。
——《科学美国人》

在这本书中，科学作家阿尼尔·阿南塔斯瓦米对量子物理学家如何试图解释我们这个时代最强大的科学模型之一——“现实”，进行了一次令人难以置信的探索。
——《史密森尼杂志》

这本书向初学者提出了他们深入学习量子力学可能遇到的哲学问题。
——《科学》

阿南塔斯瓦米的书对双缝实验及其奇怪之处进行了出色的探索。
——《福布斯》

对科学史上最著名、最长久、最神秘的实验的惊心动魄的调查。
——《柯克斯书评》星级评论

作者讲述了一段引人入胜、通俗易懂的历史，这个迷人而又令人困惑的实验直到今天仍没有定论。推荐给那些对这个主题感兴趣的人，或者任何希望深入研究双缝实验的人。
——《图书馆杂志》

这是一本引人入胜的读物，对于任何想要了解量子力学实验最新实验进展的人来说，这本书都是bi读之作。
——《物理世界》

在一个物理学科普著作都推崇理论的时代，阿南塔斯瓦米的书中有一点更吸引人，那就是它关注人类的构造在这里的作用。这不是“自然”在向我们展示，而是我们在向“自然”施压，要求它回答困扰我们的问题。
——玛格丽特·韦特海姆，《华盛顿邮报》

阿南塔斯瓦米聪明地从不同的角度来研究量子物理学……这是“给我们其他人的量子物理学”书架上的一个极好的补充。
——布莱恩·克莱格，著有《100亿个明天》

这是一本奇妙的书。如果我在莫斯科登上西伯利亚大铁路，阿尼尔·阿南塔斯瓦米就是我想要的旅伴。我会给他买一杯上好的苏格兰威士忌，说“给我讲讲量子物理学和创造量子物理学的科学家们”，然后心满意足地坐下来，在符拉迪沃斯托克待上七天，听他讲故事。
——大卫·奎曼，知名科普获奖作家，著有《致命接触》

量子力学要求我们相信关于现实本质的一些奇怪的事情。但这些要求并不是凭空产生的;它们是通过实验强加给我们的。作者生动地介绍了其中最典型的实验:著名的双缝实验。
——肖恩·卡罗尔，著有《大图景》