量子物理是什么？——回答長期未決的問題（下）

阿特·霍布森1著 龍桂魯2譯

1. 阿肯色大學; 2. 清華大學

六

干涉儀實驗

2018 年，北京清華大學的龍桂魯團隊開展了一項驚人的實驗，該實驗不僅證明了極大擴展波函數的真實性——這正是量子基礎理論爭論的核心議題，還揭示了其他重要發現。要理解龍的實驗，我們首先需要了解“光子干涉儀”的工作原理(圖7)。

圖7光子干涉儀(詳見正文說明)

這個裝置演示了光的干涉效應。一束光(一束光子流)沿著圖7 中所示的兩條路徑穿過裝置，并在兩個探測器D1 和D2 處被檢測到。每個光子具有相同的波長。圖7 描繪了一個單光子，它正向右移動并即將進入干涉儀。

假設一束光子穿過實驗裝置。在圖7 左下角，這束光子會遇到一個“分束器”BS1——這個薄玻璃板(圖中以側視圖呈現)。此時光子面臨“選擇”：要么從玻璃表面反射(路徑1)，要么穿透玻璃板(路徑2)。當宏觀光束通過該裝置時，50%的光線(即半數光子)會沿路徑1 傳播，另一半則沿路徑2 傳播。

當你在人行道上經過商店櫥窗時，若曾看到鏡面上的身影，就親身體驗過光子的反射與傳播。由于你看到映照出的身影，部分光子必然從玻璃表面反射回來。同時，店內的顧客也能看見你透過櫥窗的身影，因此從你身上反射的光子還需穿過玻璃窗。正如我們將要揭示的，這種雙重影像源自“量子疊加”原理。

分束器BS1 被設計成這樣，如果攜帶數百萬個光子的光束撞擊BS1 的表面，則在BS1 處大約有50%的光子反射，50%的光子透射。

假設實驗中沒有BS2 裝置，光子通過干涉儀時是逐個傳輸的。實驗數據顯示，每個探測器接收的光子數量大約只有50%。這驗證了“量子整體性”原理：光子是一個高度統一的單一實體，無法被分割。在探測器中你永遠找不到半光子，要么檢測到一個光子，要么完全檢測不到。

此外，這些結果是“隨機”的。我們不可能預測任何一個特定的光子會出現在D1 還是D2。我們必須為每個結果分配50%的概率。

因此，這個實驗展示了量子隨機性。而且，實驗結果是完全隨機的，比拋硬幣或輪盤賭等任何其他機會游戲都要隨機。這些游戲總是顯示出與純粹隨機性存在一些輕微的系統偏差，但這個實驗表明，與機會游戲不同，量子隨機性是完美的。

現在假設我們運行實驗時安裝了BS2。在這種情況下，您可能會猜測這會導致一半的光子被發現于D1，而另一半在D2。

這個猜測將是不正確的。

實驗數據顯示，D1 和D2 處的測量結果現在對從BS1 到BS2 的兩條路徑長度變化極其敏感。實驗人員可以通過調整其中一個或兩個反射鏡的位置(例如上下左右移動)來改變路徑長度。即使單條路徑的長度變化僅為一個波長的極小部分，到達任一探測器的光子比例仍可能在零到100% 之間波動。我們發現這種路徑長度依賴性甚至在單光子傳輸時依然存在！

圖8展示了兩個探測器的檢測結果如何隨路徑1和路徑2 之間的長度差異而變化。該距離以光子波長為單位進行測量，而一個波長對應于360 度的相位差。例如，如果兩條路徑長度相同，則在D1探測到光子的概率為100%，而在D2 探測到的概率為零。

圖8對于圖7所示的干涉儀，D1處的檢測概率會隨著兩條路徑長度的差異呈現“正弦波”(即波浪形)變化。該路徑長度差異以角度度為單位進行測量，其中360度代表一個完整波長。因此90度對應四分之一波長，而180度則對應半波長

圖8 所示行為的解釋是，每個光子在通過BS2后即與自身發生干涉。即使光子是一次一個地通過干涉儀，也會發生這種干涉。因此，每個光子必然是同時沿路徑1 和路徑2 移動。

光子被認為“處于兩條路徑的疊加狀態”。這就是一個單一的量子物體如何同時存在于兩個地方。

七

“延遲選擇”干涉實驗

部分物理學家提出，若在光子通過BS1 后才決定插入BS2，實驗結果可能會有所不同。這種情況下，光子在進入BS1 前無法“預知”(即無法整合信息)會遇到BS2。此時它可能像粒子(無干涉)而非波(有干涉)那樣行為。這種“延遲選擇實驗”已被實際驗證。不出所料，延遲選擇并不會產生影響：若在光子到達交叉點前插入BS2，其疊加態的兩個部分會混合，從而導致光子自相干涉；若未插入BS2，兩部分無法混合，自然不會產生干涉。

物理學家們仍在就量子物理學的“詮釋”這一根本性問題展開爭論。令人驚訝的是，許多物理學家質疑波函數是否在真實場中客觀存在真實的波動。許多人認為，波函數只存在于物理學家的思維之中。

2018 年，北京清華大學的龍桂魯團隊開展了一項延遲選擇實驗的新版本研究。該實驗中，當光子在干涉儀兩臂交叉點發生自干涉(即“遭遇自身”)時，BS2 信號被插入其中。這一突破性成果展現了實驗設計的精妙程度，更關鍵的是，它證實了空間延展波函數的物理實在性——這正是量子基礎理論爭論的核心焦點。

在龍的實驗中，每個單光子實驗試驗都包含五個選項的延遲隨機選擇：

(1) 在光子到達交叉點前插入BS2，

(2) 當光子通過交叉點30%時插入，

(3) 當光子通過交叉點50%時插入，

(4) 當光子通過交叉點80%時插入，

(5) 不插入BS2。

龍的目的是通過證明“微觀物體的波函數就是其真實存在，而非單純的數學描述”，來闡釋量子物理學的“現實解釋”。正如波函數分布、以有限速度傳播并在被探測時瞬間坍縮那樣，量子對象也存在于空間的不連續區域中。

實驗中的每個光子都是一個管狀脈沖，包含100 米長和1 微米(百萬分之一米)直徑的電磁能量(這與實驗中使用的光纖厚度相同)。需要注意的是，像光子這樣的單個量子物體未必很小。這種物體的長度可達100 米。

當光子穿過交叉點時，BS2 的插入會將其分割為前部(長度分別為30 米、50 米或80 米)和后部，兩者運動方向不同。盡管被“疊加”為兩個部分，光子仍保持單一整體的統一性。坍縮現象僅在被探測時才會發生。該實驗除了證明光子的非局域整體性外，還證實了量子疊加態中每個子波的真實存在。

圖9 展示了插入瞬間的單次試驗，其中遵循了上述選項(3)：

圖9 (a)在類似圖7的干涉儀實驗中，當路徑1和路徑2上的兩個“子波”中心到達交叉點時，插入BS2；(b)稍后，兩條分支的前半部分已向探測器移動。此時BS2僅影響兩條分支的后半部分。上行的后半部分因相消干涉而消失，下行的后半部分則通過相長干涉得到增強

(b)部分展示了(a)所示相遇后不久的兩個子波。兩個子波的前半部分沿原有路徑傳播。BS2 的插入僅影響后半部分，導致混合并產生干涉。該部分展示了路徑1 上的相長干涉效應以及路徑2 上的相消干涉效應。

當量子物理的數學原理應用于龍的實驗時，所有五個選項的實驗結果都與之吻合。這證明光子(以及電子、質子、夸克等所有量子粒子)正如其波函數所描述的那樣，是真實存在于空間中的實體。沒有任何理由懷疑這些物體的真實性。

八

糾纏與非定域性

我們曾論證過，所有量子(光子、電子、質子、原子等)都是由其波函數描述的延展空間場。同時指出，光子、電子、質子、夸克、原子等量子都具有“非局域性”特征——這些過程并非從一點傳遞到鄰近點，而是在瞬間跨越距離完成。原因很簡單：所有能量都具有量子特性。例如電磁能可以以一個或多個光子的形式存在，但半個光子并不存在。由于光子本身是延展空間體，因此從零光子到單個光子的躍遷必須瞬間跨越整段距離。

此外，當兩個或多個量子系統發生“糾纏”時，它們的組合必然表現出非局域性行為。正如前文所述，這一現象已通過實驗得到證實，2022 年諾貝爾物理學獎正是授予了三位通過實驗驗證該現象的物理學家。

圖10 提供了對糾纏和非局域性的直觀理解。

圖10當兩個量子相遇、相互作用并分離時，它們可能會永久性地糾纏在一起。該示意圖由Herbert 1985提出

大量實驗已證實非定域性現象。其中最具代表性的案例是關于光子對運動方向(即動量)產生糾纏的研究。該實驗不僅揭示了非定域性原理的運作機制，更為理解“測量問題”(下文詳述)打開了新視角。這項研究由兩個獨立團隊分別完成并發表成果，我將其統稱為“Rarity-Tapster-Ou(RTO)實驗”。

圖11 展示了系統布局。光源通過一個本文不作詳述的物理過程，生成兩個糾纏光子“A”和“B”。光子A從光源中射出時處于兩條路徑的疊加態，如圖11 所示分別為“A1”和“A2”。路徑A1 會穿過一個“相位調節器”fA，該裝置可改變其傳播路徑長度。隨后，路徑A1 和A2 會通過圖7 中BS2 對應的分束器BS 進行混合。最終，這兩個子波會被兩個探測器分別捕捉到。

圖11 RTO實驗的布局。一個光子從光源沿路徑A1和A2射出；另一個光子沿B1和B2射出。這兩個光子形成一個糾纏的雙光子

類似地，光子B同時處于B1 和B2 兩種狀態，并被兩個探測器分別捕捉。正如我們將要看到的，這個“雙光子”就像一個統一的整體——盡管它的兩個部分可能相隔天文尺度的距離。圖12 展示了一種替代路徑布局方案，在該方案中，兩個獨立光子可以相距甚遠。

圖12 RTO實驗，設計用于更廣泛分離的探測器(參見圖10)

如果兩個光子之間沒有量子糾纏，每個光子只會像圖7 所示的單光子那樣僅與自身產生干涉。而量子糾纏則徹底改變了兩者的特性。實驗結果表明，A1/A2 和B1/B2 兩個探測器現在都記錄到完全隨機的50-50 結果，且不存在相位依賴性(即結果不因光子路徑長度的精確差異而改變)。物理學家用“非相干”一詞描述這種相位無關的特性。量子糾纏使得單個光子變得“非相干”，這意味著它們都無法與自身產生干涉。

然而，糾纏的雙光子AB確實具有自身相干(相位依賴)的狀態。當改變fA 或 fB中的任一參數時，雙光子會表現出圖13 所示的相關性，這表明雙光子“知道”兩個分離光子之間的相位差?B-?A。

圖13非定域干涉：值得注意的是，RTO的兩個糾纏光子之間的相關程度會隨著非定域相位差?B-?A呈正弦變化

糾纏將單個光子的相干性(相位依賴性)轉移到雙光子AB上。兩個糾纏光子動量之間的關聯程度會隨著相位差?B-?A的變化而變化，這兩個光子相距較遠。

這讓我們得以深入理解量子糾纏如何導致非局域作用。圖13 給出了相關結果的可視化現。需要特別注意的是，該曲線呈現出與圖8 相似的“正弦波”(波動型)特征。但兩者的差異主要體現在以下方面：

圖8 展示了圖7 中單光子的“路徑選擇”概率分布。當光子穿過第一個分束器后，會同時存在于路徑1 和路徑2 的疊加態；此時BS2 將兩條路徑混合。圖7 通過比較兩條路徑長度的差值，繪制了D1 處探測到光子的概率分布曲線。當相位差為零時概率為100%，相位差為90 度(即四分之一波長)時概率為50%，而相位差為180 度(半波長)時概率歸零(即在D2 處被探測)。單光子的量子態會隨相位變化而改變——用薛定諤的話說，光子就像被“抹平”在兩種狀態之間。

圖13 呈現出截然不同的景象。它展示了兩個光子A和B的糾纏態。與圖8 類似，圖13 同樣呈現正弦波形，但兩條曲線代表的現象卻大相徑庭。圖13 直觀呈現了A態與B態之間的統計相關性程度：當兩光子處于零度角時，相關性達到“完美”狀態(即A1 與B1 或A2 與B2 完全對應)；當角度為90 度時，相關性降至“零”水平(50%的實驗結果呈現正相關，50%呈現負相關)；而當角度為180 度時，相關性則達到“完美負相關”狀態(即A1 與B2 或A2 與B1完全對應)。值得注意的是，無論相位如何變化，兩個光子始終保持著獨立的50-50 相位分量。雖然兩個光子本身沒有模糊，但它們之間的相關性卻呈現出明顯的模糊化特征。

總結來說，圖7 所示的簡單疊加態意味著光子A同時存在于兩種狀態之間，單個光子的狀態在這兩種狀態間被“模糊化”。而像圖11 所示的糾纏態則意味著兩種狀態間的關聯性同時存在。這些關聯性是模糊化的，但無論相位如何變化，光子的狀態始終保持50-50 的均分比例，因此單個光子不會被模糊化。

措辭的準確性至關重要。單個疊加光子會同時處于兩種量子態(例如“路徑1”和“路徑2”)。一對糾纏光子則會同時表現出兩種關聯性(例如“相同”和“不同”)。

糾纏態的非局域性直觀易懂。舉個例子，如果控制光子A 的愛麗絲和控制光子B 的鮑勃事先約定，把兩者的光子相位調到完全一致(即兩者的相位差為零)，那么他們的觀測結果就會完美同步。這意味著當愛麗絲的光子出現在A1 位置時，鮑勃的光子必定會出現在B1 位置。即便兩人身處不同星系，鮑勃也能瞬間讀取愛麗絲的觀測結果！

糾纏雙光子是一種高度統一的量子實體，其行為具有非局域性，且不受兩部分間距的影響。這種量子糾纏將兩個光子轉化為一對粒子——雖然每個光子本身呈現非相干態，但它們共同構成了一個單一的相干實體。該實體會以類似單個非糾纏光子自干擾的方式產生自干涉現象。

九

薛定諤的貓：探測問題

在本節中，我們將發現前一節關于非局域性的見解使我們能夠解決一個眾所周知的長期問題，即“測量問題”或“薛定諤的貓問題”。

1935 年，埃爾溫·薛定諤寫了一篇題為《量子力學的現狀》的論文。它闡述了他對波函數等理論概念與實驗室檢測電子和光子的真實世界之間的關系的看法。

薛定諤曾用“涂抹效應”來描述這個“奇特案例”。所謂“涂抹效應”，是指當處于疊加態的量子對象(例如圖7 中處于路徑1 和路徑2 疊加態的光子)在D1 和D2 處被探測時所經歷的變化。如圖8所示，這種探測具有不確定性，但D1 或D2 處的探測概率是可預測的。這些概率由干涉儀的“相位設置”或“路徑差”決定。舉例來說，若路徑差為45 度(即完整波長的八分之一)，則D1 處的探測概率為71%，D2 處的概率為29%。這意味著在長達數百次的實驗中(例如相位差設為45 度時進行100 次試驗)，光子在D1 處被探測到的概率約為71%，而在D2 處被探測到的概率約為29%。這正是量子不確定性原理的典型例證。薛定諤會說，光子在這兩次探測之間被“涂抹”了。

“探測問題”指的是分析此類場景中探測器工作狀態的難題。假設D1 探測到光子，它必須通過點擊聲或在紙上記錄數字“1”來做出宏觀標記。但問題在于，當用量子物理的數學理論分析這個過程時，結果似乎呈現出一種疊加態——宏觀探測器同時顯示D1 和D2 的狀態。這種現象既未被觀測到，也顯得荒謬至極。

為了解決這個問題，首先要注意到以下句子描述了這種矛盾的疊加：

光子沿路徑1 移動，探測器D1 被觸發，AND

光子沿路徑2 移動，探測器D2 被觸發, (1)

其中單詞AND表示疊加。

描述(1)似乎處于一種“宏觀疊加態”，其中D1和D2 都會觸發。這顯然荒謬，且與實際情況相悖——在真實實驗室中，觀察者只會看到D1或D2中的一個被觸發，而不會同時看到兩個。問題出在哪里？

薛定諤用著名的“薛定諤的貓”案例闡釋了這個悖論。他設想一只被關在密閉房間里的貓，與放射性物質和輻射探測器共同存在。這種放射性物質被特意設計成在一小時內至少發生一次衰變的概率為50%的量子態。當探測器觸發時，會激活錘子打破毒氣瓶，導致貓死亡。他寫道：“從整個系統的波函數來看，這相當于活貓與死貓的疊加態。”他指出：“放射性物質的微觀不確定性已轉化為可通過直接觀測解決的宏觀不確定性。這種觀測使我們無法簡單地將模糊模型視為現實世界的鏡像。”這里所說的“模糊模型”，指的是像圖7 和圖8中光子那樣處于疊加態的物體。

綜上所述，薛定諤聲稱，他想象中的貓實驗表明，量子“涂抹”(即疊加態)可能導致一只貓同時處于生與死的疊加態，但這很荒謬。

我們將運用第八節的見解來證明薛定諤是錯誤的。這是因為，正如我們將要展示的，糾纏態并不能描述一個模糊(即疊加)的探測器。

讓我們回到圖7 所示的干涉儀實驗。當光子穿過干涉儀(但在被探測之前)，光子處于以下形式的簡單疊加態：

光子沿路徑1

AND沿路徑2 傳播。 (2)

這描述了單個微觀物體——一個光子——的疊加態。這種微觀物體的簡單疊加在量子物理中很常見。(2)確實描述了一個“模糊”的光子。

檢測態(1)并非屬于此類情況，而是一種糾纏態。該態描述了兩種關聯的疊加：第一種關聯是“光子被檢測到水平路徑”與“探測器在D1 處記錄”之間的關系；第二種關聯則是“光子被檢測到垂直路徑”與“探測器在D2 處記錄”之間的關聯。這與圖11 中兩個糾纏光子的描述形成對比：

光子A在A1 處記錄

以及光子B在B1 處被記錄

AND光子A在A2 處記錄

以及光子B在B1 處被記錄

AND光子A在A2 處注冊

以及光子B在B2 處被記錄 (3)

其中AND表示疊加態。這并非像前文陳述(2)那樣的簡單疊加，而是類似于前文陳述(1)的糾纏態。與陳述(2)描述的單個量子系統同時呈現兩種狀態不同，陳述(3)所述的糾纏態則描述了兩個量子系統同時表現出兩種關聯性。

回顧前一章，當兩個光子處于糾纏態時，它們都不會攜帶相位。用薛定諤的話來說，這兩個光子都不會被“模糊化”。這解決了量子檢測的難題。薛定諤對量子檢測的批評在于，那些“子系統”(可能包括一只貓)會被“模糊化”。但我們已經看到，檢測態本身是糾纏態，這意味著子系統并非被“模糊化”，而是彼此獨立且不受相位影響。

因此，對糾纏的正確理解導致了量子物理學中最古老和最深刻的問題之一的解決方案，即探測(或“測量”)問題。

本文選自《現代物理知識》2026年1期YWA編輯