- 貓、愛因斯坦和密碼學：我也能看懂的量子通信
- 神們自己
- 1945字
- 2021-04-02 20:02:11
3 靈異實驗
是波、是粒，還是波粒二象？大家決定，用一個簡單的實驗來做個了斷：雙縫干涉。
雙縫，顧名思義，就是在一塊隔板上開兩條縫。用一個發射光子的機槍[1]對著雙縫掃射，從縫中漏過去的光子打在縫后面的屏上，就會留下一個個小光點，代表每個光子的位置。
記錄光點的方法很多，為了節省腦細胞，我們就把屏幕看作是老式膠片的那種：當光子接觸屏幕時，被光子擊中的一小塊膠片瞬間發生感光反應（曝光），這一點上的光點（影像）就被永久性地記錄下來。
拋開技術細節不談，你只需要記住一個基本事實：屏幕記錄的光點代表已經發生的事實，它不可能在實驗結束后再發生變化，正如我們沒法穿越到過去篡改歷史一樣。
在實驗開始之前，科學家的推測如下：
第一種可能：如果光子是純粒子，那么屏幕上將留下兩道杠。
光子像機槍發射的子彈一樣筆直地從縫中穿過，那么屏幕上留下的一定是兩道杠，因為其他角度的光子都被隔板擋住了。
第二種可能：如果光子是純波，那么屏幕留下形同斑馬線的一道道條紋。
光子穿過縫時，會形成兩個波源。兩道波各自振蕩交會（干涉），波峰與波峰之間強度疊加，波峰與波谷之間正反抵消，最終屏幕上會出現一道道復雜唯美的斑馬線（干涉條紋），和水波的干涉現象如出一轍。
第三種可能：如果光子是波粒二象，那么屏幕圖案應該是以上兩種圖形的雜交混合體。
總之：
兩道杠 = 粒派勝
斑馬線 = 波派勝
四不像 = 平局
是波是粒還是二合一，看屏幕結果一目了然。無論實驗結果如何，都在我們的預料之中。
第一次實驗現在開始：把光子發射機對準雙縫發射。
結果：標準的斑馬線。
根據之前的分析，這證明光是純波。OK，實驗結束，波派獲得了意料之中的勝利，大家回家洗洗睡吧。
等等！粒派不服：我明明知道光子是一個一個的粒子！這樣，我們再做一次實驗，把光子一個一個地發射出去，看會怎么樣？一定會變成兩道杠的！
第二次實驗：把光子機槍切換到點射模式，確保每次只發射一個光子。
順便說一句，控制光子機槍每次只發射一個光子可真是個技術活。要知道，你隨手打開臺燈的一瞬間跑出來的光子數量，就多達1后面跟20多個0！
在100多年前的初代單光子雙縫干涉實驗中[2]，開啟點射模式更是一個艱巨的工程。首先要把光源強度降到極弱，然后用多層煙熏玻璃（俗稱土制墨鏡）過濾光源，確保在同等強度的光源下，一次最多只射出1個光子，而大部分情況下連1個光子都射不出來。所以，這架古董級光子機槍要醞釀很久才能來一發，實驗做一次得等上3個多月……
結果終于出來了：斑馬線。
居然還是斑馬線？
怎么可能？！
我們明明是一個一個把光子發射出去的啊！！！
最令人震驚的是，一開始光子數量較少時，屏幕上的光點看上去一片雜亂無章，隨著積少成多，漸漸顯出了斑馬線條紋！
光子要真就是波，那粒派也不得不服。可問題是：根據波動理論，斑馬線來源于雙縫產生的兩個波源之間的干涉疊加；而單個光子要么穿過左縫，要么穿過右縫，只穿過一條縫的光子到底是在和誰發生干涉？隔壁縫的老王嗎？
難道……光子在穿過雙縫時自動分裂成了兩個？一個光子分裂成了“左半光子”和“右半光子”，自己的左半邊和右半邊發生了關系？
事情好像越來越復雜了。干脆一不做二不休，我們倒要親眼看看，光子究竟是怎樣穿過縫的。
第三次實驗：在屏幕前加裝兩個攝像頭，一邊一個左右排開。哪邊的攝像頭看到光子，就說明光子穿過了哪條縫。同樣，還是以點射模式發射光子。
結果：每次不是左邊的攝像頭看到一個光子，就是右邊看到一個。一個就是一個，既沒有發現兩邊同時冒出來兩個光子，也從沒見過哪個光子分裂成兩半的情況。
大家都松了一口氣。光子確實是一個個粒子，然而在穿過雙縫時，不知怎么就會變形成波的形態同時穿過兩條縫，形成干涉條紋。雖然詭異了些，不過據說這就是波粒二象性了，具體細節以后再研究吧，這個實驗做得人都要“精分”了。
就在這時，真正詭異的事情發生了……
人們這才發現，屏幕上的圖案，不知什么時候，悄悄變成了兩道杠，原來的干涉條紋消失啦[3]！
沒用攝像頭看（實驗1、實驗2），結果總是斑馬線，光子是波；用攝像頭看了（實驗3），結果就成了兩道杠，光子變成粒子。
實驗結果取決于我看沒看？
光到底是波還是粒子，取決于我看沒看？
這不科學啊，做個物理實驗竟然見鬼了啊！
一個貌似簡單的小實驗做到這份上，波和粒子什么的已經不重要了，重要的是現在全世界科學家都蒙了。
這是有史以來第一次，人類在科學實驗中正式遭遇靈異事件。
注釋：
[1]光子機槍，即光子發射器。
[2]見G. I. Tylor 1909年論文Interference Fringses with Feeble Light。
[3]指屏幕上此時顯示的圖案是兩道杠，和第二次實驗結果（斑馬線）不同。已經在屏幕上成像的圖案是不可能再次變化的。