從光的本質(zhì)到真實(shí)之辯

苗千

關(guān)于光的本質(zhì)的辯論，這是一個(gè)古老的問(wèn)題，也可以看作一個(gè)全新的問(wèn)題。

1925年，愛因斯坦（右）與尼爾斯·波爾之間關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)，乃至于關(guān)于真實(shí)本質(zhì)的辯論

說(shuō)起物理學(xué)界著名的辯論，可能很多人都會(huì)首先想到從20世紀(jì)初開始的，愛因斯坦與尼爾斯·波爾之間關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)，乃至于關(guān)于真實(shí)本質(zhì)的辯論。這場(chǎng)辯論可謂曠日持久，幾乎占據(jù)了兩位科學(xué)大師的下半生。從后來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，似乎是波爾最終贏得了這場(chǎng)辯論，后來(lái)各種越來(lái)越精密的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果大多都符合波爾的預(yù)測(cè)，愛因斯坦看似站在了量子力學(xué)的反面。

兩位科學(xué)大師在這場(chǎng)曠日持久的辯論中也留下了很多名言。愛因斯坦面對(duì)令他迷惑不解的新理論，曾經(jīng)說(shuō)過(guò)“上帝不是在擲骰子”，而波爾則針鋒相對(duì)，毫不客氣地說(shuō)：“愛因斯坦，不要指揮上帝該怎么做?！边@場(chǎng)爭(zhēng)論也使愛因斯坦對(duì)于真實(shí)的含義感到迷惑。在晚年的一次散步途中，他問(wèn)陪同自己散步的派斯教授，是不是相信月亮只有在我們看它的時(shí)候它才會(huì)在那里。

愛因斯坦與波爾之間的爭(zhēng)論代表了人們對(duì)于真實(shí)含義的不同理解。愛因斯坦堅(jiān)持認(rèn)為物質(zhì)的存在是一種客觀事實(shí)，不以人類的意志為轉(zhuǎn)移;而波爾則認(rèn)為愛因斯坦對(duì)于真實(shí)的要求太過(guò)苛刻，他相信一個(gè)現(xiàn)象在沒有被觀察到之前，就不能被稱為一種現(xiàn)象。

這樣的爭(zhēng)論固然是因?yàn)樵?0世紀(jì)初出現(xiàn)的量子力學(xué)太過(guò)于違反人的直覺，但實(shí)際上人類關(guān)于真實(shí)本質(zhì)的爭(zhēng)論則是從人類文明誕生之日就開始了的。在科學(xué)界一場(chǎng)更加著名的、持續(xù)時(shí)間更久的辯論該算是從牛頓時(shí)代就開始的關(guān)于光的本質(zhì)的辯論。光究竟是什么？牛頓相信光是一種微粒，他用一個(gè)簡(jiǎn)單的三棱鏡將一束白光分解為一條彩色的光帶，以此來(lái)說(shuō)明人們眼中的白光是由不同顏色的單色光組成。反方則認(rèn)為光是一種波，這一方最大的勝利來(lái)自于一位英國(guó)醫(yī)生托馬斯·楊在1801年進(jìn)行的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。當(dāng)光線展示出了波所特有的干涉性質(zhì)之后，光的波動(dòng)性質(zhì)又變得不可置疑。

這場(chǎng)關(guān)于光的本質(zhì)的科學(xué)界大辯論，從牛頓時(shí)代開始，一直到19世紀(jì)末，持續(xù)了200多年的時(shí)間，若是向前，甚至還可以追溯到古希臘時(shí)代哲人們形而上學(xué)的辯論，若是往后，在量子力學(xué)時(shí)代人們關(guān)真實(shí)的本質(zhì)的辯論大約也可以看作是這場(chǎng)大辯論的延續(xù)。

關(guān)于光的本質(zhì)所引發(fā)的曠日持久的爭(zhēng)論，到了量子力學(xué)時(shí)代，人們終于得出了一個(gè)看似模棱兩可的答案：光既是粒子，又是波。而且這樣的所謂“波粒二象性”也并非是縹緲的光子所獨(dú)有，似乎一切微觀粒子都有此特性，以前人們以為構(gòu)成物質(zhì)的基本成分，堅(jiān)實(shí)的顆粒，居然也會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)的性質(zhì)，而一些波則也具有粒子的性質(zhì)。這樣的一個(gè)結(jié)果，看似兩全其美，可以讓爭(zhēng)論的雙方都滿意，實(shí)際上只不過(guò)是將困擾了人類幾千年的難題翻新一遍，而且引入了一個(gè)更令人迷惑的成分，那就是作為觀測(cè)者的人類自身。

觀測(cè)者在一個(gè)物理系統(tǒng)之中應(yīng)該處于什么位置，在此之前似乎是一個(gè)無(wú)需討論的話題，人類作為觀測(cè)者，只應(yīng)作為旁觀者來(lái)設(shè)計(jì)和記錄實(shí)驗(yàn)，不應(yīng)該對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有任何影響。但是越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)表明，原本應(yīng)該進(jìn)行旁觀和記錄的人類也會(huì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。換句話說(shuō)，在一些量子領(lǐng)域的試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)會(huì)取得什么樣結(jié)果，似乎是取決于實(shí)驗(yàn)者想要觀測(cè)到什么樣的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)者自身成為實(shí)驗(yàn)的一部分。

量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果成了“波粒二象性”最新的注解，而人類的意識(shí)，實(shí)驗(yàn)者的選擇在其中究竟起到了什么作用，則讓人更加迷惑。為了說(shuō)明人的選擇對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，乃至于真實(shí)和因果律的本質(zhì)，美國(guó)理論物理學(xué)家約翰·惠勒提出了一個(gè)想象中的“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”（delayed choice experiment）。

惠勒在1983年與波蘭裔美國(guó)物理學(xué)家沃杰克·祖瑞克（Wojciech Zurek）共同發(fā)表了文章《無(wú)規(guī)則之規(guī)則》（Law Without Law），在文中他首次提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)想：光子在出發(fā)之后經(jīng)過(guò)一個(gè)分光鏡，根據(jù)量子力學(xué)的解釋，此時(shí)因?yàn)楣庾拥牟▌?dòng)性質(zhì)，它可以“同時(shí)”沿著兩條路線前進(jìn)，如果放置一個(gè)探測(cè)器來(lái)探測(cè)光子，因?yàn)椴ǖ母缮嫘再|(zhì)，光子被探測(cè)到的位置將呈現(xiàn)出條紋狀的分布。但是另一方面，如果在光子出發(fā)之后，實(shí)驗(yàn)者在光路上放置另一面分光鏡使光線會(huì)聚，那么實(shí)驗(yàn)者探測(cè)到的光子位置又將呈現(xiàn)出粒子的特性，干涉現(xiàn)象消失了。

光是粒子還是波，它的本性究竟該由什么來(lái)決定？光子在出發(fā)之后是否會(huì)“選擇”作為粒子或是波，它的性質(zhì)究竟是在什么時(shí)候決定的？如果說(shuō)人的觀測(cè)對(duì)于實(shí)驗(yàn)也有決定性的影響，那么人又何以成為實(shí)驗(yàn)的一部分？人的推測(cè)無(wú)關(guān)緊要，科學(xué)發(fā)展所信賴的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；堇账鶚?gòu)想的理想實(shí)驗(yàn)早已被實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們實(shí)現(xiàn)，而且結(jié)果也正如惠勒所預(yù)想的，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)者的選擇有關(guān)。

這樣的實(shí)驗(yàn)在更大尺度上，是否有可能依然成立？為了證實(shí)這一點(diǎn)，來(lái)自意大利帕多瓦大學(xué)、馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)以及意大利e-GEOS公司的幾位科學(xué)家，在太空中實(shí)現(xiàn)了惠勒的延遲選擇實(shí)驗(yàn)。2017年10月25日，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志出版的在線開放獲取期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表論文《將惠勒的延遲選擇實(shí)驗(yàn)拓展到太空中》（Extending Wheeler's delayed-choice experiment to space），報(bào)告了他們?cè)谔罩幸蕾嚾嗽煨l(wèi)星進(jìn)行惠勒延遲選擇量子實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。

與此前在狹窄的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的光學(xué)實(shí)驗(yàn)不同，幾位科學(xué)家在意大利南部的馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)，利用天文望遠(yuǎn)鏡充當(dāng)接收光子的探測(cè)器，利用地球軌道上的人造衛(wèi)星充當(dāng)反射裝置，在幾千公里的距離上進(jìn)行惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)。在這次太空級(jí)別的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，光子從地球出發(fā)，經(jīng)發(fā)射后回到地球的路程需要10微秒的時(shí)間，而科學(xué)家們選擇在光子行進(jìn)的路程過(guò)半之后進(jìn)行選擇，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然顯示符合約翰惠勒的預(yù)測(cè)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果算得上是對(duì)于此前類似實(shí)驗(yàn)的又一次肯定，或許算不上驚世駭俗，但是從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，它也算得上人們對(duì)于“真實(shí)”這一概念看似約定俗成的理解的又一次打擊，也算是人類延續(xù)了數(shù)千年的關(guān)于光的本質(zhì)的辯論延續(xù)?！皩?shí)在”“因果關(guān)系”，這些看上去自從一個(gè)人出生之日起就約定俗成的概念如今受到了無(wú)比嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這是一個(gè)古老的問(wèn)題，也可以看作是一個(gè)全新的問(wèn)題，人類該對(duì)它如何作答，關(guān)系著物理學(xué)的未來(lái)。