杨氏双缝干涉实验与薛定谔的猫

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本文简要介绍双缝干涉实验与薛定谔猫悖论的关系。

懒得看废话的，直接跳到传统杨氏双缝干涉实验一节

这是一个程序员的空间。然而此文作为第一篇发布的文章，竟然是关于量子物理的。我绝不是一名量子物理研究者，相反，我对量子物理的认识可谓浅之又浅。在此献文量子物理，实在是有点心虚。

第一次正式接触量子物理，是在曼彻斯特大学读书时，在密码学一课中学习Quantum Cryptography（量子密码学）。量子密码学的一个重要理论基础是Quantum Entanglement（量子纠缠）。量子纠缠主要是描述粒子之间的超光速（瞬态）相互作用。现在学界对量子纠缠的成因没有形成统一意见。巧的是，前几天在亚马逊上买了本书，缠绕的意念：当心理学遇见量子力学，英文版链接在此。

这本书介绍了作者对于超验（诸如心灵感应Telepathy、千里眼Clairvoyance、念力Psychokinesis等）与量子纠缠的关系提出了自己的见解。超验一直是科学界的禁忌话题，但作者在书中仍然用了相当多的例子与统计数据试图向大众解释超验有其科学依据。

我花了一个通宵的时间看完这本书。虽然此书没有让我相信超验的存在有其科学依据（简单说就是我仍然不相信超验事件），但是书中第十二章提到了光的波粒二象性与双缝干涉让我想起来高中时做的双缝干涉实验，顿时来了兴趣。

传统杨氏双缝干涉实验

高中学理科的同学应该都对此有印象，杨氏双缝干涉实验的大概现象是：一束光在通过间距很小的两个缝隙时候，投射在平面，会因为光的波性导致投射出来的影像成明暗交替状。如下图：

单缝与双缝对比

出现这种干涉条纹的原因就是光具有波性：

两缝透出的光波相互干涉（波峰波谷相互重叠或消减），导致投射在平面的光斑出现干涉条纹

单光子双缝干涉实验

以上的传统实验，发射出的光束包含了大量光子。所以可以认为是不同的光子之间发生了干涉。

现在有一种仪器，每次只发射出一个光子，这时如果遮板上仍然有两个缝隙A和B（遮板与上述传统实验一样）。依照传统理论，该光子每次有且仅有以下三种情况中的一种：

1. 被遮板挡住
2. 通过A缝
3. 通过B缝

因为要观察投射面的光斑分布，所以不必考虑情况1。也就是说，只要光子通过了遮板，要么从A缝通过，要么从B缝通过。按照这种传统理论推导，在投射面会形成两个均匀的光斑，因为每次只有一个光子通过，该光子无法与其他光子发生干涉。

但是实际的实验结果让人大跌眼镜。就算每次只发射一个光子，投射出的光斑依然有干涉条纹！逐渐形成的光斑图像如下图：

单光子双缝干涉实验图像

实验结果表明，就算每次只发射一个光子，在发射若干次后，投射面依然会形成明暗交替的影像。这就说明，每个光子似乎同时通过了两个缝隙，自己与自己产生了干涉！

更为奇怪的是，依照量子理论，如果用另一个仪器对双缝进行精确测量，以确定光子到底从哪个缝经过，则干涉条纹就会就会消失。换句话说，光子似乎能够知道自己被测量，一旦被测量则它只会从一个缝中通过，没有干涉发生，也就没有了明暗交替的光斑。

说到这里，不禁让我想到了薛定谔的猫。

薛定谔的猫

薛定谔如此描述这个关于猫的实验：

实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并且装置以下仪器（注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰）：在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质，在一小时内，这个放射性物质至少有一个原子衰变的机率为50%，它没有任何原子衰变的机率也同样为50%；假若衰变事件发生了，则盖革计数管会放电，通过继电器启动一个榔头，榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后，假若没有发生衰变事件，则猫仍旧存活；否则发生衰变，这套机构被触发，氰化氢挥发，导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。类似这典型案例的众多案例里，原本只局限于原子领域的不明确性被以一种巧妙的机制变为宏观不明确性，只有通过打开这个箱子来直接观察才能解除这样的不明确性。它使得我们难以如此天真地接受采用这种笼统的模型来正确代表实体的量子特性。就其本身的意义而言，它不会蕴含任何不清楚或矛盾的涵义。但是，在一张摇晃或失焦的图片与云堆雾层的快照之间，实则有很大的不同之处。

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

把这个猫的实验类比单光子双缝实验：如果没有打开盒子看看猫是死是活（没有测量），则猫会处于一种既死又活的奇怪叠加状态（光子同时经过双缝，对自己产生干涉）。一旦打开盒子进项观察（进行测量），则猫要么死、要么活（光子只会经过一个缝，干涉条纹消失）。

两个实验的对象完全不同，但是表达的量子力学内容却何其相似！

After All

这两个实验虽然看似无干，但却有深刻的内在联系。对于实验产生这种现象，现在有很多解释（仅仅是解释，但都无任何实质上的证据）。

1. 哥本哈根诠释（然而，哥本哈根诠释尚无法完美解释宏观物体，如薛定谔猫，的叠加态）
2. 多世界诠释（大众更熟悉的叫法为平行宇宙）

限于本文的长度以及作者的水平实在不够，就不对这两种诠释加以展开说明了。有兴趣的朋友可以点开上面的链接，自行了解。