第四章：微觀粒子世界 第一節：量子的智慧選擇
微觀世界的粒子具有粒子性和波動性，用來描述量子的粒子性和波動性的雙重屬性，以及粒子的產生和消滅過程的基本理論是量子場論。量子場論和規範理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。
量子實驗本身證明了光子、電子或者60個碳分子組成的巴基球的一些不可思議的一麵，比如在雙縫實驗中，一個光子或者電子能夠同時穿越兩條縫隙，而曆史求和表明：量子在傳播過程中具有千萬個路徑。在分光延遲實驗中，光子在傳播中表現出了智慧性，光子似乎看見有人或者物質擋在光子分光的另一條路徑上，於是提前就沒有通過該路徑。而在電子雙縫實驗中，當有人在一邊放上一個攝像機，試圖記錄電子傳播路徑的時候，電子似乎知道有人在看，於是選擇了另一種傳播方式。攝像機的觀察影響了電子的選擇，這也正是人類對量子不可了解性之一。讓我們看看這幾個經典實驗，並了解量子的神奇性。
雙縫實驗
托馬斯·楊的光實驗的現代版被稱為雙縫實驗。如圖016此實驗顯示，從一個波源發出一列波，這一列波通過開有一對相距很近的狹縫擋板，通過擋板後兩條波發生衍射，在擋板後遠端區域內擴散開來投射到屏幕上，有的點波峰遇波峰，波穀遇波穀產生幹涉相長。有的點在這裏波穀將與波峰相遇，從而產生幹涉相消。全部的結果就是屏上出現的明暗相間的條紋，這是波動性強有力的證據。如果用電子，60個碳原子組成的巴基球富勒烯（C60）代替光，那麽也會出現類似的結果。
單電子雙縫幹涉實驗
如果采取控製手段，單獨的一個個發射電子，或者使用弱光源，每次隻讓一個光子或者電子等（粒子）通過裝置，如圖018，如圖019。
實驗裝置用微小粒子探測器代替屏幕，可對到達的單電子或者光子進行標記。這種單粒子雙縫實驗效果如圖所示。
（單粒子實驗以福特著的《量子世界》為基礎資料整理）
這種單粒子雙縫實驗揭示了量子物理奇異性。在此實驗實現之前，玻爾與愛因斯曾經為此爭論了幾十年。後來隨著電子技術和探測器技術的發展，這一實驗得以實現，並震驚了所有人，無論他是否是科學家。
這一實驗過程是，將電子或者光子一個個向雙縫發射，電子（光子）也將在探測器陣列中某一隨機點顯示。一直持續下去，一個電子（光子）接一個電子（光子）地發射。一開始看起來是隨機的，但是發射幾十個上百個電子（光子）之後，將開始出現新的現象，大部分電子（光子）的著陸點正是波動理論所預言的幹涉加強處（這些著陸點大部分處在擋板的“陰影”處）。
少數電子（光子）出現在波動理論預言的幹涉部分相消處，波動理論預言的幹涉完全相消處則沒有光子到達。隨著持續不斷，成千上萬的光子通過裝置後，探測器陣列上將會出現清晰的明暗條紋，與波動理論預設的完全一致。
非常奇怪，人們產生了質疑：是什麽導致了這種現象？這個看起來是隨機且無法預測的電子或者光子實驗，一個個單獨發射，但是結果卻出現了清晰簡單的與光波一樣的圖樣。人們想問：單獨的量子（電子或光子）到底是通過哪個狹縫？量子如何“知道”哪裏適合著陸，哪裏不適合著陸？是什麽決定著量子最後選擇哪個著陸點呢？為什麽就兩個量子來說，在理論上是全部相同，但是行為上卻並不完全相同，不能同時著陸一點呢？與觀測結果和量子理論以及一係列實驗相符合的唯一解釋是，每個單獨的量子從粒子源出發到探測器的過程像波一樣運動，每個量子同時通過兩個縫，量子產生於一點，探測時也是一點，從量子產生到被探測到之間，它的行為像波，這就是波粒二象性的本質。此外，概率在這一圖像中出現了，量子並不知道在哪裏著陸，它隻知道在不同點著陸的概率，波動理論預言的幹涉相長處概率大，波動理論預言的幹涉相消處概率小。在這裏單個量子同時通過兩個縫會發生衍射並且會發生幹涉，觀測者無論什麽時候看一個量子（也就是說探測器，或者你眼睛的視網膜實際記錄的光子），它都是一個點。你不看的時候，它就會鬼使神差地像經典理論中的電磁波一樣成為波在空間中傳播。
當然有條件者，完全可以控製一下節奏，用變化的節奏一個個單獨發射這些粒子，看他們的幹涉條紋是否與上述結果一樣。
電子狹縫偵測實驗
為了更好地觀察粒子軌跡，科學家把粒子源換成電子發射設備，也會出現以上所有現象，當單個電子發射的時候，電子同時通過了兩條縫，與自己幹涉。
科學家想知道，電子到底通過了兩條狹縫的那條縫，於是如下圖020。在一條狹縫放置了一台叫狹縫偵測器的觀察設備，當他們開始觀察時，神奇的事情發生了，電子開始變得像個小球，穿過一條狹縫，替代顯示出的是兩個單縫圖案的簡單相加。幹涉圖像消失了。電子好像意識到有人觀察他，然後選擇了不同的路徑。
如果粒子源換成光子，也同樣如上用狹縫偵測器觀測，我們所熟悉的幹涉圖案，也立刻就會消失不見，轉而改變成另外一種圖案。
按照一些科學家的假設猜想，使用偵測器這個動作涉及了電子與狹縫偵測器之間的相互作用，這種行為改變了電子（光子）的量子態。假設兩個同頻率的電子或者光子，在同時間被發射出來，則這兩個量子是同調的。將狹縫偵測器關掉，則兩個同調量子都會不被幹擾地經過狹縫，同調地抵達偵測屏。可是假設我們將狹縫偵測器打開，而兩個同調量子之中的一個粒子被狹縫偵測器偵側到，則由於量子與狹縫偵測器之間的相互作用兩個量子不再同調，也不再互相幹涉。所以偵測屏的幹涉圖案會消失不見。根據哥本哈根解釋，當我們不去觀察量子到底通過了哪條縫，它就同時通過雙縫而產生幹涉，反之它就確實地通過一條縫而順便消滅幹涉圖紋。
近幾年來的科學研究更進一步地發現幹涉現象並不隻限製於電子、光子，還涉及像質子、中子等等這些基本粒子。雙縫實驗使用大分子構造，像巴基球富勒烯（C60），也能夠產生類似的幹涉圖案。
曆史求和
在宏觀物理學領域每個物質都有一個明確的痕跡，但是在量子世界裏每個粒子沒有明確的路徑，著名的物理學家費恩曼於是推出曆史求和的概念。微觀量子世界，從粒子源到屏幕不是沒有路徑，而是意味著每條路徑，如下圖：這就是量子世界與宏觀牛頓物理世界的區別。這意味著粒子在雙縫實驗中，可能通過第一道縫隙，然後又穿過第二道縫隙；或者隻通過其中一條路徑；或者粒子去了廣東的一個飯店，回來之前然後又去了南極；或者從地球A穿越B火星、宇宙、再返回。這就解釋了如何知道粒子穿越了哪條縫隙。如果隻開放一條路徑，粒子就穿越這條縫隙，如果開放兩條路徑，粒子就會兩條路徑都穿越，然後產生幹涉。同時地球A到火星B的粒子路徑也是多樣的。
這聽起來非常奇怪，但是目前來看這就是最合理的解釋。
延遲選擇
提出黑洞、量子泡沫、真子等很多重要概念的著名物理學惠勒為了檢測到量子世界裏不可思議的特性，通過一個戲劇化的思維實驗指出：我們可以“延遲”光子的這一決定，使得它在已經實際通過了雙縫屏幕之後，再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條！
約翰·惠勒九十歲時像一個老頑童，他對人非常親切和友善。他通常總是麵帶著微笑並且有時還會向經過他的所有人揮手致意，並與學生合作出版物理學著作。惠勒雖然沒有獲得諾獎，但是他的物理學思維卻贏得尊敬，他第一個提出黑洞概念，引入了極小時間與極小距離的普朗克尺度，並在此尺度極限下引入“量子泡沫”概念（即時空在10-35米空間距離與10-45秒的時間間隔上的動**），他提出質樸性原則，提出沒有質量的質量、沒有電荷的電荷，他提出真子概念（光子高密度集中以至於全部光子繞著共同的中心轉動，這些光子是通過自身引力來保持軌道運動的），關於宇宙深度他還提出了“一切源於信息”（真實宇宙世界的“一切”可能最終都基於信息）說法。惠勒開創了量子信息理論的新紀元，同時也因為他多角度的創新哲學觀點而受到物理學界的尊敬。
惠勒在1978年提出的一個超出當時水平的延遲實驗檢驗量子世界，現在已經在很多實驗室實現了這一實驗。該實驗是在一個光子離開光源較長時間後，允許一名實驗者決定這個光子是應該沿著單一軌跡進入探測器，還是沿著兩條疊加軌跡進入探測器。
如圖023所示，在光源出發點A直角處有一個半透半反射鏡，C、D處都有反射鏡。每個光子都有50%的機會到達左探測器，50%的機會到達右探測器。
為了描述這一實驗，在A處後麵偏離一側建立光源，可向A處上方的半透半反鏡發射光子束。半透半反射鏡是一塊鍍有很薄一層銀的玻璃，隻能將照射到其上的光反射一半，而讓另一半光通過，那麽單個光子就有50%的機會被反射，還有50%的機會通過。還有另外一種情況：那就是一個打到半透半反鏡上的光子將既反射又透射其波函數是分散的。光子在打到半透半反鏡上後，將處於兩種不同傳播方向的疊加態。
A處的半透半反鏡可以使透過的光到達B處，被它反射的光則到達C處。
在上述兩處放置了全反鏡，這樣所有光線（或者說所有光子）都會被反射到D處，在D處上方什麽都不放，在D的左右分別放有探測器，這些探測器能夠記錄到達的光子（所有光子）。比如右探測器發出一次嘀嗒聲就說明從C處打來一個光子，從左側探測器發出聲音則說明從B處打來一個光子。現在還沒有態疊加的明顯證據——從概率進行的測量來說，左右兩側將會各探測到一半光子。
現在，讓我們來證實光子確實同時沿著兩條軌跡運動：我們用一個半透半反鏡放置在D處上方，這樣來自B處的光有一半會被反射到右邊，另一半則會直接透射到左邊。而來自C 處的光則有一半被反射到左邊，另一半直接透射到右邊。
如圖024，通過仔細擺放該半透
半反鏡可以使兩束射向右側的光發生相消幹涉，而兩束射向左側的光發生相長幹涉。那麽光都將抵達左側，向右側傳播的光波將彼此相消，向左側傳播的光波將彼此加強。在上述情況不動的情況下，如果光源發射的是一個個單獨的光子，左側的探測器不斷發生嘀嗒聲，這說明不斷有光子到達那裏，而右側的探測器則沒有任何聲音。這說明，每一個光子都是同時沿著兩條軌跡運動的。所有光子都抵達右側的現象隻能通過光子波函數（或振幅）進行解釋。光子的波函數先分散再匯聚，從而光子波才會與自己發生幹涉相長或幹涉相消。
現在我們做另一個選擇測試——延遲選擇，證明每個光子是沿著兩條軌跡運行的，這時候可以不在D處上方放置任何裝置。但是，為了測量顯示出每個光子的運動軌跡。我們在D處上方放置一個半透半反鏡，將光源打開一納秒，一個光子的運動速度是每納秒1英尺（1納秒的時間等於1秒的十億分之一）。在這麽短的時間內，光源也就發射出幾十個光子。然後我等待30到50納秒的時間，準備做出一個決定，等我們做出決定時，那些從光源發射出的光子已經離光源很遠了，但是它們到D處還有點距離，還在傳播路途中。
接下來，我們想弄清楚每個光子所走的路徑。然後在D處上方什麽都不放置，統計左右兩側的探測器記錄到達的光子，每個探測器應該各記錄下一半光子。這表明，到我開始做出決定的時候，每個光子已經被“交給”了各自的路徑，要麽通過B處，要麽是通過C處。如果我改變決定——在每個光子發射完，光子恰好處在自己路徑上之後——想弄明白是否每個光子都同時處在兩個路徑上，那麽我將半透半反鏡放置在D處上方，通過仔細擺設透鏡，產生波的幹涉，這時所有光子都會奇跡般地要麽抵達右側探測器，要麽抵達左側探測器。這說明每個光子都與自己發生了幹涉，而且每個光子都是同時沿著兩條路徑運動的。
我們再換一下思路，把半透半反鏡留在D處上方，D處左右兩側各有一個探測器，並派一個人站在AB之間的路上（如圖025），結果發現沒有光子（或光子波）能通過AB這條路程徑，所有到達D處的光子（或光子波）都一定是通過C處過來的。兩個探測器發生的嘀嗒聲頻率相同，每個從C處到達D處的光子都有50%的機會直接透射到右側，還有50%的機會被反射到左側。
幹涉消失，光子成為沿著特定路徑（AC）運動的單個粒子。光似乎提前預感人的阻擋，不走AB路線了，雖然很難驗證在幾納秒的時間內做出的“ 決定”。如果該實驗能在實驗室房間之外更大尺寸上也能進行，比如足球場上， 幾百公裏的範圍內。正如惠勒本人所說，這種實驗沒有理由在宇宙距離上不能進行。比如從遙遠的恒星爆炸發射出的來的光，抵達地球的光有兩種可能路徑，光可以在星係E，我們可以在該星係觀察到從恒星爆炸發出的光子。如果是另一星係F，天文學家同樣會在F星係附近看到那些光子。如果天文學家在天文台裏能夠在接收到來自兩個星係的光的位置放置一麵半透半反鏡，理論上沿著兩條不同路徑傳播的光將會發生幹涉，並隻在一個方向上產生可見的光子（與上述延遲實驗類似）。天文學家可以在光離開類星體幾萬年，甚至幾十億年之後再決定是否尋找特定路徑或者尋找兩條路徑之間的幹涉。這太神奇了！但是這就是量子世界的詭秘行為，量子行為是概率性的，一個事件發生的世界，對事件不同的結果選擇，會產生不同的行為。
以上種種詭異的量子行為確實是個奇怪的現象。用愛因斯坦的話說，這太詭異了，但這卻是事實。所以物理學家費恩曼說：“我可以有把握地說，沒人能夠理解量子力學。”
有些物理學家認為雙縫實驗太令人混亂了（你越思考，頭腦就越混亂——尼爾斯·玻爾語），以至於他們認為盡管量子力學取得了無數成功，且從未失敗，但仍舊是不完備的，他們相信在二十一世紀的某個時候——無論是下一年還是從現在起五十年以後——將會出現新的理論（一種能夠包含量子理論，並且能對量子理論的成功進行解釋的理論），但是新理論必須更具“遠見卓識”。即便是不被雙縫實驗表現出的古怪所困惑的物理學家，也都傾向於認為量子力學的某種內在因素尚待出現。
愛因斯坦一直相信自己的判斷，就是說如果量子力學如果是完備的，那麽就可以通過量子力學及其方程解讀出“真實圖景”，擁有因果關係。
哥本哈根派玻爾卻認為，如果我們是透過一塊黑色玻璃觀察的世界，那麽我們觀測的就是世界的“真實”。這體現了當時有局限的實驗條件下，兩大學派對於物理的哲學態度。前者要繼續深挖探索，後者認為夠了。
玻姆的理論其實更像是愛因斯坦觀點的繼承與延續，他認為：目前量子力學之所以是一個統計理論，是因為存在還未發現不被人所探索到的隱變量，這種隱秘關係也涉及到生命意識問題。如果能找出決定個別體係定律的隱變量，就可以準確地預測微觀現象每一次測量的結果，而不隻是出現的幾率。
也就是說，如果發現隱變量，那麽因果律還是存在的。
總結：愛因斯坦為了尋找因果關係，把後半生精力都用在尋找大統一理論中來，現代物理學實驗證明，電子能夠再次分裂，也能夠同時測到量子的兩種狀態，而按著新宇宙模型——圓轉聚合的物理模型，量子世界必然存在更深層的粒子關係，沒有絕對的真空，影響量子的因素就在更深層量子中。
電子、光、誇克等可能有其他更深層粒子組成的，也可能有其他機理。量子世界必然存在著更深層的背景關係，這種背景關係與宏觀宇宙也是關聯的，隻是現代科學由於工具有限很難實驗發現。
而量子求和認為，因為測不準幾率問題，量子軌跡無所不在，其軌跡漫步於宇宙空間，這種認識也許存在著問題，量子能夠激發更深層、微觀、快速的粒子做出反應，但是單個量子本身影響範圍應該是有限的。也許這會在以後的實驗中發現，當電子射向中間有縫隙的屏幕的時候，電子就開始激發深層粒子的反應，這會影響其途徑，量子能夠激發運動過程中的周圍更微觀粒子環境及其反應。