四個顛覆你世界觀的量子實驗

圖一

圖二

圖三

實驗1

如前面的圖1和圖2所示，我們用一把電子槍，向一個有雙縫的障礙物發射電子，並用相紙記錄電子落點的分布。

根據這個實驗設置，結果很明顯是波效應。也就是說，相紙上會出現交替出現的暗帶和亮帶。

我們所描述的只是由觀察得來的直接明確的結果：如果你設置一個有雙縫的裝置，就像前面所描述的那樣，結果是一張有暗帶和亮帶交替出現的相紙。

實驗2

讓我們把第一個實驗的設置稍作修改。假設我們保留了第一個實驗的全部實驗設置，只是增加了一個被動電子探測器來監測每一條縫。

也就是說，在上面那條縫的後面，我們放置一個電子探測器，將其稱為探測器A，它將記錄所有通過上面這條縫的電子。在另一條縫的旁邊，我們放置第二個探測器，將其稱為探測器B，它將監測下面的這條縫。整個實驗設置看起來就如圖4所示。

圖4 加入了電子探測器的雙縫實驗

加入探測器是出於以下考慮：如果電子是波，那麼波將會同時通過兩條縫，因此，兩個探測器應總是同時啟動，絕對不可能出現只有其中一個探測器單獨啟動的情況；而如果電子是粒子，那麼每個粒子最多只能通過兩條縫中的一個，因此，每次應該只有一個探測器探測到電子，兩個探測器絕不會同時啟動。

在實驗1中，結果很明確是波效應。現在我們所研究的實驗完全保留了實驗1的設置，只是多了探測器。由於這些探測器是被動探測器，探測器將不會干擾電子，只會提示電子是否存在。我們最初的判斷會是這個實驗的結果將同樣是波效應。

然而，實際情況恰恰相反，這個實驗結果很明確是粒子效應。與此一致的是，在一個時間點，只有一個探測器啟動。探測器從來沒有在雙縫處同時探測到電子，也就是從來沒有出現在波效應中應該出現的情況。這個結果看起來似乎表明有了探測器的存在，電子的行為模式就變成了粒子。

除此之外，假設我們在電子探測器上安裝一個開關（類似電燈開關），這樣我們就可以按照自己的需求打開或關閉探測器了。只要調整開關所在位置，我們就可以在波效應和粒子效應之間轉換。

當開關在關的位置，我們將看到波效應，在開的位置，就是粒子效應，而且只需要將開關前後一撥，就可以在兩者之間進行轉換，頻率和速度完全由我們自己控制。

這些實驗結果非常出人意料，因為很難想像這樣的探測器如何可以給實驗結果帶來如此實質性的改變。

重申一下，這就是有關量子實體實驗的一個事實，也就是說，如果實驗設置如實驗1中所述，結果是波效應。如果我們如實驗2中那樣加入了電子探測器，結果就是粒子效應。

同時，就像前面提到過的，僅僅是打開或關閉探測器，我們就可以在波效應和粒子效應之間轉換。

實驗3

至於實驗3，我們將使用光子槍而不再是電子槍。光子槍是一種可以發出光線「單元」的設備。在這個實驗設置中，我們將使用一個分束器（實際上只是一面部分鍍了銀膜的鏡子）、一個合束器（實際上只是一面雙向鏡）、兩個普通鏡子和一張用來記錄結果的相紙。

與實驗2中相似，我們將加入兩個光子探測器，但是在實驗3中，這兩個探測器將保持關閉。總之，整個實驗設置看起來就如圖5所示。

圖5 分束器實驗

這個實驗背後的核心如下：假設光子是波，那麼光子槍向分束器發射一束波，分束器將這束波分成兩束，其中一束波繼續直行，到達圖5中右上角的鏡子，而另一束被反射後向下運動，到達圖5中左下角的鏡子。

這面鏡子再次將波反射，使這束波與另一束波在合束器處合併，然後到達相紙處。由於在這個情境中存在兩束波，因此它們會互相干涉，並在相紙上產生波的干涉模式，也就是波效應。

另一方面，如果光子是粒子，那麼光子的運動路線要麼是上方/右側路線，要麼是下方/左側路線。在這裡，不存在波的干涉，因此我們將看到的應該是粒子效應。

儘管我們在示意圖中包括了光子探測器，但在實驗3中，這些探測器是關閉的，因此沒有發揮任何作用。當我們進行這個實驗時，結果很明確是波效應，彷彿光子是波。

實驗4

在實驗4中，我們將保留實驗3的全部實驗設置，同時把探測器打開。

到這時，你很有可能會猜測，而且這個猜測確實是正確的，也就是如果我們打開探測器，可能會出現奇怪的現象。同樣地，這些探測器很可能扮演了一個被動的角色，就像實驗2中的探測器一樣。

同時，如果光子像前一個實驗所表明的那樣是波，那麼我們將看到的就應該是兩個探測器同時啟動。畢竟，實驗3意味著光子是波，因此一列波應該同時到達兩個探測器。

然而，事實上，實驗結果是同一時間兩個探測器中只有一個啟動起來，也就是當光子是粒子而不是波時，我們所應該看到的情況。儘管這個實驗幾乎與前一個實驗一模一樣，但是相紙上的結果很明確是粒子效應。

與在實驗2中的情況一樣，在實驗4中，我們也可以在探測器上安裝開關，這樣僅僅通過打開或關閉探測器就可以在波效應和粒子效應之間隨心轉換。

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