量子領(lǐng)域中的一致性

1801年，楊第一個用實驗展示了量子的一致性。在他的“雙縫實驗”（上一章已提及）中，光穿過一個帶有兩條縫的過濾屏幕，每一個光子都是單獨發(fā)出（當(dāng)今的實驗已用激光器來達(dá)到該目的），因此光線極微弱。單個發(fā)出的光子穿過第一個屏幕到達(dá)第二個屏幕（在第一個屏幕后面），第二個屏幕顯示出到達(dá)的光子。然后，光線就像從一個小洞涌出的水一樣，在屏幕上散開而形成一個衍射圖像。該圖像展示出了光的像波性——但本身并不矛盾。但當(dāng)在第一個屏幕上開了另一條縫時，矛盾就出現(xiàn)了——屏幕上現(xiàn)出兩個衍射圖像的疊加像，盡管光子是單個發(fā)射的而且大概每個光子只穿過兩條縫中的一條。雙縫后面的波形成了一個特征性的干涉圖像：當(dāng)兩波方向相反時它們相互抵消，方向一致時則相互增強(qiáng)。雖然穿過的是兩條不同的縫，它們卻一直相互影響。作為波，它們可以穿過兩條縫；但作為單個發(fā)射的粒子，它們只能穿過一條縫——這是微粒的特性決定的。

托馬斯·楊（1773～1829），英國醫(yī)師和物理學(xué)家光的波動說的奠基人。他于1802年使一束太陽光通過相鄰兩小孔分成兩束而發(fā)現(xiàn)光的干涉圖樣，并明確闡述了波的疊加原理。

惠勒的“分光”實驗出現(xiàn)了相同的效果。該實驗中，光子也是單個發(fā)出，從發(fā)射槍中出來后到達(dá)檢測器。一個半邊鍍銀的鏡子插在光子的路徑中，從而把光束分開。預(yù)計大約1/2的光子穿過鏡子，另1/2則被反射回去。預(yù)想得到了證實：分別被安置在鏡子后和正確角度處的計數(shù)器顯示了大致相等的光子數(shù)。但是當(dāng)另一面半邊鍍銀鏡插在那些穿過了第一面鏡子的光子的路徑中時，所有的光子均以一個方向到達(dá)檢測器。這表明曾在雙縫實驗中出現(xiàn)的干涉也同樣可在分光實驗中出現(xiàn)。第一面鏡子之上的干涉是破壞性的（光子的方向相反），因此光相互抵消。在第二面鏡子的下方，干涉是建設(shè)性的（因為光波方向一致），所以光波相互增強(qiáng)。

當(dāng)光子在離觀測者相當(dāng)遠(yuǎn)的距離處和相當(dāng)長的時間間隔內(nèi)被發(fā)射時，所形成的干涉圖像依然能被觀察到。在分光實驗的“宇宙學(xué)”模型中，被觀測的光子是由一顆遙遠(yuǎn)的恒星發(fā)出的；如在某實例中，是由名為0957+516A，B的類星體發(fā)出的。這個遙遠(yuǎn)的“類星-星體”（quasi-stellar object）看似兩個物體，實則一個。它的雙體像是由一個星系的干擾導(dǎo)致的反光作用而來。由干擾星系反射回的光線束要比未被反射光束遠(yuǎn)5萬年的距離。這些幾十億年前形成、時間間隔約5萬年的光子，就像實驗室中間隔數(shù)秒發(fā)出的光子一樣，彼此形成干涉。

量子的一致性在一種叫“路徑探測器”（which-pathdetectors）的實驗中被進(jìn)一步展示出來。所謂路徑探測器，是能對光子進(jìn)行單個標(biāo)記以辨認(rèn)它們所選路徑及所通過的縫隙的檢測儀器。當(dāng)路徑探測器啟動時，量子表現(xiàn)得像經(jīng)典的物體：干涉作用受抑制（物理學(xué)家指出，屏幕上形成的“干涉帶”消失）。在由?？怂梗‥yal Bucks）、海布爾姆（Mordehai Heiblum）及以色列的魏茨曼研究所（Weizmann Institute）的其他人員合作的實驗中，一個小于一微米的裝置制造出一股電子流，該電子流可繞過設(shè)在一條路徑中的障礙物繼續(xù)前進(jìn)。電子在路徑中聚集，從而使電子流間的干涉程度容易測量。研究發(fā)現(xiàn)，探測器的靈敏度越高，被顯示出的干涉越少。當(dāng)探測器向兩條路徑開發(fā)時，干涉帶全部消失。

另一些實驗顯示，探測器只要被安裝上，即使尚未啟動，干涉帶也會立即消失。1991年曼德爾（Leonard Mandel）在光干涉實驗中，制造了兩束激光并使其產(chǎn)生干涉。當(dāng)能夠決定激光路徑的探測器出現(xiàn)時，干涉帶消失了。但是，不論探測器決定路徑的作用發(fā)揮與否，干涉帶都一樣會消失。這表明，很有可能是“路徑探測器”破壞了干涉帶。

1998年努恩（Durr Nunn）和潤普（Rempe）證實了上述發(fā)現(xiàn)。在他們的實驗中，干涉帶由永久光波發(fā)出的一束冷原子所形成的衍射而產(chǎn)生。當(dāng)探測器并未探測原子的路徑時，干涉儀顯示出強(qiáng)對比的干涉帶。然而當(dāng)原子內(nèi)部加入支配它們所選路徑的信息時，干涉帶就會消失。干涉圖像的消失并非一定要路徑標(biāo)記的讀??；只要原子標(biāo)記了從而信息被讀取，就足夠了。

看起來不但單個發(fā)出的粒子或原子像波一樣彼此干涉，而且路徑探測器與其對應(yīng)的粒子或原子流也是相伴隨的。這些發(fā)現(xiàn)證實了薛定諤1935年提出的“糾纏”（entanglement）的概念。量子擁有一些共有的狀態(tài)，一套系統(tǒng)內(nèi)所有量子的狀態(tài)是“重疊的”，因此運載的信息不是單個粒子的性質(zhì)，而是該粒子所在系統(tǒng)的整個狀態(tài)。在那個系統(tǒng)中粒子個體間相互內(nèi)在地“糾纏”在一起。全套系統(tǒng)的重疊波的功能描述了每個粒子的狀態(tài)。