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d1 波函數(shù)什么都知道( 二 )


這個(gè)結(jié)果和經(jīng)典物理學(xué)一樣，但是經(jīng)典物理學(xué)只考慮了光的波動(dòng)性。現(xiàn)在考慮到光的粒子性，我們就必須發(fā)明“同時(shí)走過兩條路徑”、“自己和自己發(fā)生干涉”這樣的話才能把道理講通。可是這種話說著簡(jiǎn)單，其實(shí)非常含糊。干涉儀這種裝置能讓我們看得更清楚一些。
我們考慮最初從左下角光源出發(fā)的一個(gè)光子，我們假設(shè)它是簡(jiǎn)單的、天真的、無辜的。光子遇到第一個(gè)分束器的時(shí)候，按照常規(guī)，它知道自己有兩個(gè)選擇，或者向上走路徑 1，或者向前走路徑 2，它很自由。不管它選的是路徑 1 還是路徑 2 ，當(dāng)它走到第二個(gè)分束器的時(shí)候，它都還是有兩個(gè)選擇，對(duì)吧？
那為什么，它總是堅(jiān)定地選擇前往 D2 探測(cè)器呢？
唯一的解釋，就是這個(gè)光子*知道*，這兩條路徑*都*存在。光子一點(diǎn)都不天真。
“同時(shí)走過兩條路徑”，這是我們從人類行為方式中外推出來的設(shè)想，其實(shí)誰也不明白那是什么意思 —— 也許光子根本就不需要什么“走過”。我們完全可以換一個(gè)表達(dá)方式 ——
光子在出發(fā)的那一剎那，它的波函數(shù)，就對(duì)所有的路徑、干涉儀全局的設(shè)置，有一個(gè)總體感知。是這個(gè)“總體感知”告訴光子應(yīng)該如何運(yùn)動(dòng)。
我認(rèn)為“總體感知”是比“同時(shí)走過兩條路徑”更好的說法，我們下一講將會(huì)看到，波函數(shù) —— 嚴(yán)格地說應(yīng)該叫“態(tài)函數(shù)” —— 的感知能力并不僅限于空間。
現(xiàn)在我們可以用這個(gè)感知探測(cè)炸彈了。我們要用到光的粒子性，經(jīng)典物理學(xué)可做不了這個(gè)。
我們把那顆無比敏感的炸彈放在干涉儀的路徑 2 上，阻斷這條路徑，然后只發(fā)射一個(gè)光子。你說會(huì)發(fā)生什么？
d1 波函數(shù)什么都知道
文章插圖

現(xiàn)在不會(huì)有干涉現(xiàn)象了，一切神奇都消失了 —— 但是跟前面第二張圖中的設(shè)定相比，這里沒有神奇，恰恰說明了神奇。
這一次的光子很天真。經(jīng)過第一個(gè)分束器的時(shí)候，它有一半的可能性選擇路徑2，導(dǎo)致炸彈爆炸，物理學(xué)家很不幸，實(shí)驗(yàn)失敗。
但光子也有一半的可能性走路徑1。然后當(dāng)它走到第二個(gè)分束器的時(shí)候，因?yàn)槁窂?被炸彈阻斷了，這里沒有干涉，光子前往兩個(gè)探測(cè)器的可能性同樣大。
那么有總共1/4的可能性，探測(cè)器 D2 會(huì)收到這個(gè)光子。這跟沒有炸彈的結(jié)果一樣，你無法做出判斷，實(shí)驗(yàn)還是沒有成功。
但是還有1/4的可能性，探測(cè)器D1收到了那個(gè)光子！這件事看似波瀾不驚，但是因?yàn)槟闶孪戎溃绻麤]有炸彈，D1是收不到光子的 —— 所以你可以斷定，現(xiàn)在有炸彈！這也就是說，因?yàn)榱孔恿W(xué)，我們有1/4的可能性，能在跟炸彈不發(fā)生任何相互作用的情況下，探測(cè)到炸彈的存在。
d1 波函數(shù)什么都知道
文章插圖

咱們?cè)僦匦罗垡槐檫@件事。從前有個(gè)國王，給大臣們出了一道題。他說我有一種無比敏感的炸彈，只要有一個(gè)光子打在它身上，它就會(huì)立即爆炸。現(xiàn)在規(guī)定只能使用光學(xué)方法，而不能用什么重力啊、聲波之類的技術(shù)，你們有辦法在不引爆炸彈的情況下探測(cè)到它的存在嗎？
宰相是個(gè)非常懂邏輯的人，他做了一番周密的考慮：如果我不向炸彈發(fā)射光子，我就不可能知道炸彈是否存在；如果我向炸彈發(fā)射光子，炸彈一定會(huì)爆炸，我知道它的存在但是也引爆了它。宰相斷定，無干擾的探測(cè)不可能成功。
這時(shí)候來了四個(gè)物理學(xué)家，說我們有辦法……嗯，不過我們四個(gè)人不能都成功。國王說那你們?cè)囋嚢伞Ｋ麄兊膶?shí)驗(yàn)結(jié)果是 ——
* 兩個(gè)物理學(xué)家直接引爆了炸彈。
* 第三個(gè)物理學(xué)家表示自己沒有結(jié)論，不能作出判斷。
* 但是第四個(gè)物理學(xué)家，在炸彈沒爆的情況下，說炸彈確定、肯定、一定存在。
這四個(gè)物理學(xué)家的方法是既向炸彈發(fā)射光子，又不向炸彈發(fā)射光子：他們探測(cè)用的是光子的波函數(shù)，而不是光子本身。1/4 的成功率不算高，但是炸彈的信息畢竟傳遞出來了！
而且請(qǐng)注意，這個(gè)成功率是可以提高的。馬赫-曾德爾干涉儀把光信號(hào)分成了兩條路線，我們?yōu)槭裁粗环诌@一層呢？1995 年，奧地利和美國的幾個(gè)物理學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明，如果你增加干涉儀的分層級(jí)數(shù)、同時(shí)再調(diào)整分束器的反射透射比例，你就可以提高成功的概率 [3]。在理論上，探測(cè)成功的概率可以無限接近于 1。
我們?cè)诓桓^測(cè)對(duì)象發(fā)生任何相互作用的情況下，觀測(cè)到了它的存在。這就等于說，我們?cè)瓌t上，可以利用波函數(shù)的感知能力，傳遞一個(gè)經(jīng)典物理學(xué)禁止傳遞的信息。
只可惜這個(gè)信息的傳遞速度不能超光速：我們還是得等到探測(cè)器接收到光子才能作出判斷，而炸彈在光子的某一條前進(jìn)路線上。所以這件事兒雖然神奇，但是并不違反相對(duì)論。如果波函數(shù)在光子出發(fā)的那一剎那就已經(jīng)了解了全局信息，它并不能立即把這個(gè)信息告訴你。

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