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一旦观看,魔法就被抹去

仅仅得知粒子走了哪道缝,就足以摧毁干涉——以及这意味着什么。

那个显而易见的问题——和它惊人的答案

面对双缝,每个人都会问同一个合情合理的问题:好吧,图样看上去是波动的,但每个电子肯定真的走了其中一道缝——那为什么不直接看一眼、弄个明白呢?在缝处放一个微小的探测器,记下每个电子从哪道缝经过,把事情定下来。这是世上最自然不过、人人都想做的实验。而它的结果,是物理学中最令人不安的事实之一。

就在你的探测器能够分辨每个电子走了哪道缝的那一刻——就在你拥有物理学家所说的路径信息的那一刻——干涉图样消失了。条带溶解,那些点堆成两团平平无奇的小堆,跟普通小球一模一样。把探测器关掉,条带又回来了。电子仿佛知道自己是否正被观看,并据此改变了行为。经典物理学没有任何东西能让你对此有所准备。

为什么罪魁是信息

要看清原因,回想一下干涉图样需要什么。它来自一道同时穿过两道缝的波——一种把两种处境混合在一起的状态,我们称之为叠加。那些条带,正是“电子没有确定路径”的可见证据;直到它落地之前,它都真真切切地是“两者皆是”。从某种意义上说,那图样就是宇宙在承认:它还没有决定走哪道缝。

现在你要索取路径信息。为了记录电子走了哪道缝,探测器必须与它产生关联——电子的路径被“盖章”印在了世界中的某个东西上。可路径一旦在任何地方被记录下来,电子就不再处于混合的“两者皆是”状态;它有了一道确定的缝。而一旦路径确定,干涉所需的那两道相互叠加的波就不再同时存在。没有叠加,就没有重叠,就没有条带。你并没有粗暴地扰动电子——你是逼着它对某一段历史作出了承诺,而一个已作承诺的电子,就是一个平平无奇的粒子。

一桩你无法作弊的权衡

把这两个版本的实验放在一起读,就显出一条铁律。你可以拥有清晰的干涉图样(完整的波动行为,但完全不知走了哪道缝),或者你可以拥有路径知识(完整的粒子行为,但没有图样)——却绝不能同时、且同时满格地拥有两者。你把路径锁定得越精确,条带就越被冲淡;放松对路径的追问,条带又会重新变得清晰。两者之间有一个平滑的旋钮,但它的两端互相排斥。知道路径与看见图样,是从同一个有限账户里支出的两笔钱。

物理学家用尽各种巧妙的方案想骗过这条规则——而其中最巧妙的一个,确实让人脑筋打结。在量子擦除器里,你先记录下路径信息,然后在读取它之前,小心地把它销毁,让任何人都再也无法找回电子用了哪道缝。惊人的结果是:把信息擦掉,干涉图样就回来了。真正决定波动本性是否显现的,确实是“这份知识是否可得”,而不是对电子的任何物理推搡。信息的账目,正端坐在这个结果的核心。

它意味着什么,又不意味着什么

人很容易一跃跳到诡异的结论上去——比如认为有意识的心灵正在伸手改变现实,或者电子会“通灵”。这两种都要克制。这里的“观察”并不需要人、不需要心灵,甚至不需要任何活物;它指的是任何把路径记录进更广阔世界的物理过程。一个自动把缝的信息写进硬盘的探测器,即便从来没人去读它,也照样完成了这件事。真正的教益更平静、也更奇怪:在量子世界里,获取一个系统的信息,会真真切切地改变哪些可能性还能保持混合在一起。

请留意这个实验悄悄确立的一点:你无法看着波以波的方式行事。当场抓住它做粒子(走哪道缝?)这一举动本身,就禁止了它显示波的标志(那些条带)。波与粒子不仅是两张面孔——它们是互相遮蔽的两张面孔。这种互相遮蔽并非偶然,它恰恰是尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)写进量子理论根基的那条原理,最后一篇会专门讲它。