量子领域中的一致性

量子领域中的一致性

1801年，杨第一个用实验展示了量子的一致性。在他的“双缝实验”（上一章已提及）中，光穿过一个带有两条缝的过滤屏幕，每一个光子都是单独发出（当今的实验已用激光器来达到该目的），因此光线极微弱。单个发出的光子穿过第一个屏幕到达第二个屏幕（在第一个屏幕后面），第二个屏幕显示出到达的光子。然后，光线就像从一个小洞涌出的水一样，在屏幕上散开而形成一个衍射图像。该图像展示出了光的像波性——但本身并不矛盾。但当在第一个屏幕上开了另一条缝时，矛盾就出现了——屏幕上现出两个衍射图像的叠加像，尽管光子是单个发射的而且大概每个光子只穿过两条缝中的一条。双缝后面的波形成了一个特征性的干涉图像：当两波方向相反时它们相互抵消，方向一致时则相互增强。虽然穿过的是两条不同的缝，它们却一直相互影响。作为波，它们可以穿过两条缝；但作为单个发射的粒子，它们只能穿过一条缝——这是微粒的特性决定的。

托马斯·杨（1773～1829），英国医师和物理学家光的波动说的奠基人。他于1802年使一束太阳光通过相邻两小孔分成两束而发现光的干涉图样，并明确阐述了波的叠加原理。

惠勒的“分光”实验出现了相同的效果。该实验中，光子也是单个发出，从发射枪中出来后到达检测器。一个半边镀银的镜子插在光子的路径中，从而把光束分开。预计大约1/2的光子穿过镜子，另1/2则被反射回去。预想得到了证实：分别被安置在镜子后和正确角度处的计数器显示了大致相等的光子数。但是当另一面半边镀银镜插在那些穿过了第一面镜子的光子的路径中时，所有的光子均以一个方向到达检测器。这表明曾在双缝实验中出现的干涉也同样可在分光实验中出现。第一面镜子之上的干涉是破坏性的（光子的方向相反），因此光相互抵消。在第二面镜子的下方，干涉是建设性的（因为光波方向一致），所以光波相互增强。

当光子在离观测者相当远的距离处和相当长的时间间隔内被发射时，所形成的干涉图像依然能被观察到。在分光实验的“宇宙学”模型中，被观测的光子是由一颗遥远的恒星发出的；如在某实例中，是由名为0957+516A，B的类星体发出的。这个遥远的“类星-星体”（quasi-stellar object）看似两个物体，实则一个。它的双体像是由一个星系的干扰导致的反光作用而来。由干扰星系反射回的光线束要比未被反射光束远5万年的距离。这些几十亿年前形成、时间间隔约5万年的光子，就像实验室中间隔数秒发出的光子一样，彼此形成干涉。

量子的一致性在一种叫“路径探测器”（which-pathdetectors）的实验中被进一步展示出来。所谓路径探测器，是能对光子进行单个标记以辨认它们所选路径及所通过的缝隙的检测仪器。当路径探测器启动时，量子表现得像经典的物体：干涉作用受抑制（物理学家指出，屏幕上形成的“干涉带”消失）。在由玻克斯（Eyal Bucks）、海布尔姆（Mordehai Heiblum）及以色列的魏茨曼研究所（Weizmann Institute）的其他人员合作的实验中，一个小于一微米的装置制造出一股电子流，该电子流可绕过设在一条路径中的障碍物继续前进。电子在路径中聚集，从而使电子流间的干涉程度容易测量。研究发现，探测器的灵敏度越高，被显示出的干涉越少。当探测器向两条路径开发时，干涉带全部消失。

另一些实验显示，探测器只要被安装上，即使尚未启动，干涉带也会立即消失。1991年曼德尔（Leonard Mandel）在光干涉实验中，制造了两束激光并使其产生干涉。当能够决定激光路径的探测器出现时，干涉带消失了。但是，不论探测器决定路径的作用发挥与否，干涉带都一样会消失。这表明，很有可能是“路径探测器”破坏了干涉带。

1998年努恩（Durr Nunn）和润普（Rempe）证实了上述发现。在他们的实验中，干涉带由永久光波发出的一束冷原子所形成的衍射而产生。当探测器并未探测原子的路径时，干涉仪显示出强对比的干涉带。然而当原子内部加入支配它们所选路径的信息时，干涉带就会消失。干涉图像的消失并非一定要路径标记的读取；只要原子标记了从而信息被读取，就足够了。

看起来不但单个发出的粒子或原子像波一样彼此干涉，而且路径探测器与其对应的粒子或原子流也是相伴随的。这些发现证实了薛定谔1935年提出的“纠缠”（entanglement）的概念。量子拥有一些共有的状态，一套系统内所有量子的状态是“重叠的”，因此运载的信息不是单个粒子的性质，而是该粒子所在系统的整个状态。在那个系统中粒子个体间相互内在地“纠缠”在一起。全套系统的重叠波的功能描述了每个粒子的状态。