楊氏雙縫幹涉實驗與薛定谔的貓

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本文簡要介紹雙縫幹涉實驗與薛定谔貓悖論的關系。

懶得看廢話的，直接跳到傳統楊氏雙縫幹涉實驗一節

這是一個程式員的簡書空間。然而此文作為第一篇釋出的文章，竟然是關于量子實體的。我絕不是一名量子實體研究者，相反，我對量子實體的認識可謂淺之又淺。在此獻文量子實體，實在是有點心虛。

第一次正式接觸量子實體，是在曼徹斯特大學讀書時，在密碼學一課中學習Quantum Cryptography（量子密碼學）。量子密碼學的一個重要理論基礎是Quantum Entanglement（量子糾纏）。量子糾纏主要是描述粒子之間的超光速（瞬态）互相作用。現在學界對量子糾纏的成因沒有形成統一意見。巧的是，前幾天在亞馬遜上買了本書，纏繞的意念：當心理學遇見量子力學，英文版連結在此。

這本書介紹了作者對于超驗（諸如心靈感應Telepathy、千裡眼Clairvoyance、念力Psychokinesis等）與量子糾纏的關系提出了自己的見解。超驗一直是科學界的禁忌話題，但作者在書中仍然用了相當多的例子與統計資料試圖向大衆解釋超驗有其科學依據。

我花了一個通宵的時間看完這本書。雖然此書沒有讓我相信超驗的存在有其科學依據（簡單說就是我仍然不相信超驗事件），但是書中第十二章提到了光的波粒二象性與雙縫幹涉讓我想起來高中時做的雙縫幹涉實驗，頓時來了興趣。

傳統楊氏雙縫幹涉實驗

高中學理科的同學應該都對此有印象，楊氏雙縫幹涉實驗的大概現象是：一束光在通過間距很小的兩個縫隙時候，投射在平面，會因為光的波性導緻投射出來的影像成明暗交替狀。如下圖：

出現這種幹涉條紋的原因就是光具有波性：

單光子雙縫幹涉實驗

以上的傳統實驗，發射出的光束包含了大量光子。是以可以認為是不同的光子之間發生了幹涉。

現在有一種儀器，每次隻發射出一個光子，這時如果遮闆上仍然有兩個縫隙A和B（遮闆與上述傳統實驗一樣）。依照傳統理論，該光子每次有且僅有以下三種情況中的一種：

1. 被遮闆擋住
2. 通過A縫
3. 通過B縫

因為要觀察投射面的光斑分布，是以不必考慮情況1。也就是說，隻要光子通過了遮闆，要麼從A縫通過，要麼從B縫通過。按照這種傳統理論推導，在投射面會形成兩個均勻的光斑，因為每次隻有一個光子通過，該光子無法與其他光子發生幹涉。

但是實際的實驗結果讓人大跌眼鏡。就算每次隻發射一個光子，投射出的光斑依然有幹涉條紋！逐漸形成的光斑圖像如下圖：

實驗結果表明，就算每次隻發射一個光子，在發射若幹次後，投射面依然會形成明暗交替的影像。這就說明，每個光子似乎同時通過了兩個縫隙，自己與自己産生了幹涉！

更為奇怪的是，依照量子理論，如果用另一個儀器對雙縫進行精确測量，以确定光子到底從哪個縫經過，則幹涉條紋就會就會消失。換句話說，光子似乎能夠知道自己被測量，一旦被測量則它隻會從一個縫中通過，沒有幹涉發生，也就沒有了明暗交替的光斑。

說到這裡，不禁讓我想到了薛定谔的貓。

薛定谔的貓

薛定谔如此描述這個關于貓的實驗：

實驗者甚至可以設定出相當荒謬的案例來。把一隻貓關在一個封閉的鐵容器裡面，并且裝置以下儀器（注意必須確定這儀器不被容器中的貓直接幹擾）：在一台蓋革計數器内置入極少量放射性物質，在一小時内，這個放射性物質至少有一個原子衰變的機率為50%，它沒有任何原子衰變的機率也同樣為50%；假若衰變事件發生了，則蓋革計數管會放電，通過繼電器啟動一個榔頭，榔頭會打破裝有氰化氫的燒瓶。經過一小時以後，假若沒有發生衰變事件，則貓仍舊存活；否則發生衰變，這套機構被觸發，氰化氫揮發，導緻貓随即死亡。用以描述整個事件的波函數竟然表達出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀态。類似這典型案例的衆多案例裡，原本隻局限于原子領域的不明确性被以一種巧妙的機制變為宏觀不明确性，隻有通過打開這個箱子來直接觀察才能解除這樣的不明确性。它使得我們難以如此天真地接受采用這種籠統的模型來正确代表實體的量子特性。就其本身的意義而言，它不會蘊含任何不清楚或沖突的涵義。但是，在一張搖晃或失焦的圖檔與雲堆霧層的快照之間，實則有很大的不同之處。

——埃爾溫·薛定谔，Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics)

把這個貓的實驗類比單光子雙縫實驗：如果沒有打開盒子看看貓是死是活（沒有測量），則貓會處于一種既死又活的奇怪疊加狀态（光子同時經過雙縫，對自己産生幹涉）。一旦打開盒子進項觀察（進行測量），則貓要麼死、要麼活（光子隻會經過一個縫，幹涉條紋消失）。

兩個實驗的對象完全不同，但是表達的量子力學内容卻何其相似！

After All

這兩個實驗雖然看似無幹，但卻有深刻的内在聯系。對于實驗産生這種現象，現在有很多解釋（僅僅是解釋，但都無任何實質上的證據）。

1. 哥本哈根诠釋（然而，哥本哈根诠釋尚無法完美解釋宏觀物體，如薛定谔貓，的疊加态）
2. 多世界诠釋（大衆更熟悉的叫法為平行宇宙）

限于本文的長度以及作者的水準實在不夠，就不對這兩種诠釋加以展開說明了。有興趣的朋友可以點開上面的連結，自行了解。