量子物理是什么？——回答长期未决的问题（下）

阿特·霍布森1著 龙桂鲁2译

1. 阿肯色大学; 2. 清华大学

六

干涉仪实验

2018 年，北京清华大学的龙桂鲁团队开展了一项惊人的实验，该实验不仅证明了极大扩展波函数的真实性——这正是量子基础理论争论的核心议题，还揭示了其他重要发现。要理解龙的实验，我们首先需要了解“光子干涉仪”的工作原理(图7)。

图7光子干涉仪(详见正文说明)

这个装置演示了光的干涉效应。一束光(一束光子流)沿着图7 中所示的两条路径穿过装置，并在两个探测器D1 和D2 处被检测到。每个光子具有相同的波长。图7 描绘了一个单光子，它正向右移动并即将进入干涉仪。

假设一束光子穿过实验装置。在图7 左下角，这束光子会遇到一个“分束器”BS1——这个薄玻璃板(图中以侧视图呈现)。此时光子面临“选择”：要么从玻璃表面反射(路径1)，要么穿透玻璃板(路径2)。当宏观光束通过该装置时，50%的光线(即半数光子)会沿路径1 传播，另一半则沿路径2 传播。

当你在人行道上经过商店橱窗时，若曾看到镜面上的身影，就亲身体验过光子的反射与传播。由于你看到映照出的身影，部分光子必然从玻璃表面反射回来。同时，店内的顾客也能看见你透过橱窗的身影，因此从你身上反射的光子还需穿过玻璃窗。正如我们将要揭示的，这种双重影像源自“量子叠加”原理。

分束器BS1 被设计成这样，如果携带数百万个光子的光束撞击BS1 的表面，则在BS1 处大约有50%的光子反射，50%的光子透射。

假设实验中没有BS2 装置，光子通过干涉仪时是逐个传输的。实验数据显示，每个探测器接收的光子数量大约只有50%。这验证了“量子整体性”原理：光子是一个高度统一的单一实体，无法被分割。在探测器中你永远找不到半光子，要么检测到一个光子，要么完全检测不到。

此外，这些结果是“随机”的。我们不可能预测任何一个特定的光子会出现在D1 还是D2。我们必须为每个结果分配50%的概率。

因此，这个实验展示了量子随机性。而且，实验结果是完全随机的，比抛硬币或轮盘赌等任何其他机会游戏都要随机。这些游戏总是显示出与纯粹随机性存在一些轻微的系统偏差，但这个实验表明，与机会游戏不同，量子随机性是完美的。

现在假设我们运行实验时安装了BS2。在这种情况下，您可能会猜测这会导致一半的光子被发现于D1，而另一半在D2。

这个猜测将是不正确的。

实验数据显示，D1 和D2 处的测量结果现在对从BS1 到BS2 的两条路径长度变化极其敏感。实验人员可以通过调整其中一个或两个反射镜的位置(例如上下左右移动)来改变路径长度。即使单条路径的长度变化仅为一个波长的极小部分，到达任一探测器的光子比例仍可能在零到100% 之间波动。我们发现这种路径长度依赖性甚至在单光子传输时依然存在！

图8展示了两个探测器的检测结果如何随路径1和路径2 之间的长度差异而变化。该距离以光子波长为单位进行测量，而一个波长对应于360 度的相位差。例如，如果两条路径长度相同，则在D1探测到光子的概率为100%，而在D2 探测到的概率为零。

图8对于图7所示的干涉仪，D1处的检测概率会随着两条路径长度的差异呈现“正弦波”(即波浪形)变化。该路径长度差异以角度度为单位进行测量，其中360度代表一个完整波长。因此90度对应四分之一波长，而180度则对应半波长

图8 所示行为的解释是，每个光子在通过BS2后即与自身发生干涉。即使光子是一次一个地通过干涉仪，也会发生这种干涉。因此，每个光子必然是同时沿路径1 和路径2 移动。

光子被认为“处于两条路径的叠加状态”。这就是一个单一的量子物体如何同时存在于两个地方。

七

“延迟选择”干涉实验

部分物理学家提出，若在光子通过BS1 后才决定插入BS2，实验结果可能会有所不同。这种情况下，光子在进入BS1 前无法“预知”(即无法整合信息)会遇到BS2。此时它可能像粒子(无干涉)而非波(有干涉)那样行为。这种“延迟选择实验”已被实际验证。不出所料，延迟选择并不会产生影响：若在光子到达交叉点前插入BS2，其叠加态的两个部分会混合，从而导致光子自相干涉；若未插入BS2，两部分无法混合，自然不会产生干涉。

物理学家们仍在就量子物理学的“诠释”这一根本性问题展开争论。令人惊讶的是，许多物理学家质疑波函数是否在真实场中客观存在真实的波动。许多人认为，波函数只存在于物理学家的思维之中。

2018 年，北京清华大学的龙桂鲁团队开展了一项延迟选择实验的新版本研究。该实验中，当光子在干涉仪两臂交叉点发生自干涉(即“遭遇自身”)时，BS2 信号被插入其中。这一突破性成果展现了实验设计的精妙程度，更关键的是，它证实了空间延展波函数的物理实在性——这正是量子基础理论争论的核心焦点。

在龙的实验中，每个单光子实验试验都包含五个选项的延迟随机选择：

(1) 在光子到达交叉点前插入BS2，

(2) 当光子通过交叉点30%时插入，

(3) 当光子通过交叉点50%时插入，

(4) 当光子通过交叉点80%时插入，

(5) 不插入BS2。

龙的目的是通过证明“微观物体的波函数就是其真实存在，而非单纯的数学描述”，来阐释量子物理学的“现实解释”。正如波函数分布、以有限速度传播并在被探测时瞬间坍缩那样，量子对象也存在于空间的不连续区域中。

实验中的每个光子都是一个管状脉冲，包含100 米长和1 微米(百万分之一米)直径的电磁能量(这与实验中使用的光纤厚度相同)。需要注意的是，像光子这样的单个量子物体未必很小。这种物体的长度可达100 米。

当光子穿过交叉点时，BS2 的插入会将其分割为前部(长度分别为30 米、50 米或80 米)和后部，两者运动方向不同。尽管被“叠加”为两个部分，光子仍保持单一整体的统一性。坍缩现象仅在被探测时才会发生。该实验除了证明光子的非局域整体性外，还证实了量子叠加态中每个子波的真实存在。

图9 展示了插入瞬间的单次试验，其中遵循了上述选项(3)：

图9 (a)在类似图7的干涉仪实验中，当路径1和路径2上的两个“子波”中心到达交叉点时，插入BS2；(b)稍后，两条分支的前半部分已向探测器移动。此时BS2仅影响两条分支的后半部分。上行的后半部分因相消干涉而消失，下行的后半部分则通过相长干涉得到增强

(b)部分展示了(a)所示相遇后不久的两个子波。两个子波的前半部分沿原有路径传播。BS2 的插入仅影响后半部分，导致混合并产生干涉。该部分展示了路径1 上的相长干涉效应以及路径2 上的相消干涉效应。

当量子物理的数学原理应用于龙的实验时，所有五个选项的实验结果都与之吻合。这证明光子(以及电子、质子、夸克等所有量子粒子)正如其波函数所描述的那样，是真实存在于空间中的实体。没有任何理由怀疑这些物体的真实性。

八

纠缠与非定域性

我们曾论证过，所有量子(光子、电子、质子、原子等)都是由其波函数描述的延展空间场。同时指出，光子、电子、质子、夸克、原子等量子都具有“非局域性”特征——这些过程并非从一点传递到邻近点，而是在瞬间跨越距离完成。原因很简单：所有能量都具有量子特性。例如电磁能可以以一个或多个光子的形式存在，但半个光子并不存在。由于光子本身是延展空间体，因此从零光子到单个光子的跃迁必须瞬间跨越整段距离。

此外，当两个或多个量子系统发生“纠缠”时，它们的组合必然表现出非局域性行为。正如前文所述，这一现象已通过实验得到证实，2022 年诺贝尔物理学奖正是授予了三位通过实验验证该现象的物理学家。

图10 提供了对纠缠和非局域性的直观理解。

图10当两个量子相遇、相互作用并分离时，它们可能会永久性地纠缠在一起。该示意图由Herbert 1985提出

大量实验已证实非定域性现象。其中最具代表性的案例是关于光子对运动方向(即动量)产生纠缠的研究。该实验不仅揭示了非定域性原理的运作机制，更为理解“测量问题”(下文详述)打开了新视角。这项研究由两个独立团队分别完成并发表成果，我将其统称为“Rarity-Tapster-Ou(RTO)实验”。

图11 展示了系统布局。光源通过一个本文不作详述的物理过程，生成两个纠缠光子“A”和“B”。光子A从光源中射出时处于两条路径的叠加态，如图11 所示分别为“A1”和“A2”。路径A1 会穿过一个“相位调节器”fA，该装置可改变其传播路径长度。随后，路径A1 和A2 会通过图7 中BS2 对应的分束器BS 进行混合。最终，这两个子波会被两个探测器分别捕捉到。

图11 RTO实验的布局。一个光子从光源沿路径A1和A2射出；另一个光子沿B1和B2射出。这两个光子形成一个纠缠的双光子

类似地，光子B同时处于B1 和B2 两种状态，并被两个探测器分别捕捉。正如我们将要看到的，这个“双光子”就像一个统一的整体——尽管它的两个部分可能相隔天文尺度的距离。图12 展示了一种替代路径布局方案，在该方案中，两个独立光子可以相距甚远。

图12 RTO实验，设计用于更广泛分离的探测器(参见图10)

如果两个光子之间没有量子纠缠，每个光子只会像图7 所示的单光子那样仅与自身产生干涉。而量子纠缠则彻底改变了两者的特性。实验结果表明，A1/A2 和B1/B2 两个探测器现在都记录到完全随机的50-50 结果，且不存在相位依赖性(即结果不因光子路径长度的精确差异而改变)。物理学家用“非相干”一词描述这种相位无关的特性。量子纠缠使得单个光子变得“非相干”，这意味着它们都无法与自身产生干涉。

然而，纠缠的双光子AB确实具有自身相干(相位依赖)的状态。当改变fA 或 fB中的任一参数时，双光子会表现出图13 所示的相关性，这表明双光子“知道”两个分离光子之间的相位差ϕB-ϕA。

图13非定域干涉：值得注意的是，RTO的两个纠缠光子之间的相关程度会随着非定域相位差ϕB-ϕA呈正弦变化

纠缠将单个光子的相干性(相位依赖性)转移到双光子AB上。两个纠缠光子动量之间的关联程度会随着相位差ϕB-ϕA的变化而变化，这两个光子相距较远。

这让我们得以深入理解量子纠缠如何导致非局域作用。图13 给出了相关结果的可视化现。需要特别注意的是，该曲线呈现出与图8 相似的“正弦波”(波动型)特征。但两者的差异主要体现在以下方面：

图8 展示了图7 中单光子的“路径选择”概率分布。当光子穿过第一个分束器后，会同时存在于路径1 和路径2 的叠加态；此时BS2 将两条路径混合。图7 通过比较两条路径长度的差值，绘制了D1 处探测到光子的概率分布曲线。当相位差为零时概率为100%，相位差为90 度(即四分之一波长)时概率为50%，而相位差为180 度(半波长)时概率归零(即在D2 处被探测)。单光子的量子态会随相位变化而改变——用薛定谔的话说，光子就像被“抹平”在两种状态之间。

图13 呈现出截然不同的景象。它展示了两个光子A和B的纠缠态。与图8 类似，图13 同样呈现正弦波形，但两条曲线代表的现象却大相径庭。图13 直观呈现了A态与B态之间的统计相关性程度：当两光子处于零度角时，相关性达到“完美”状态(即A1 与B1 或A2 与B2 完全对应)；当角度为90 度时，相关性降至“零”水平(50%的实验结果呈现正相关，50%呈现负相关)；而当角度为180 度时，相关性则达到“完美负相关”状态(即A1 与B2 或A2 与B1完全对应)。值得注意的是，无论相位如何变化，两个光子始终保持着独立的50-50 相位分量。虽然两个光子本身没有模糊，但它们之间的相关性却呈现出明显的模糊化特征。

总结来说，图7 所示的简单叠加态意味着光子A同时存在于两种状态之间，单个光子的状态在这两种状态间被“模糊化”。而像图11 所示的纠缠态则意味着两种状态间的关联性同时存在。这些关联性是模糊化的，但无论相位如何变化，光子的状态始终保持50-50 的均分比例，因此单个光子不会被模糊化。

措辞的准确性至关重要。单个叠加光子会同时处于两种量子态(例如“路径1”和“路径2”)。一对纠缠光子则会同时表现出两种关联性(例如“相同”和“不同”)。

纠缠态的非局域性直观易懂。举个例子，如果控制光子A 的爱丽丝和控制光子B 的鲍勃事先约定，把两者的光子相位调到完全一致(即两者的相位差为零)，那么他们的观测结果就会完美同步。这意味着当爱丽丝的光子出现在A1 位置时，鲍勃的光子必定会出现在B1 位置。即便两人身处不同星系，鲍勃也能瞬间读取爱丽丝的观测结果！

纠缠双光子是一种高度统一的量子实体，其行为具有非局域性，且不受两部分间距的影响。这种量子纠缠将两个光子转化为一对粒子——虽然每个光子本身呈现非相干态，但它们共同构成了一个单一的相干实体。该实体会以类似单个非纠缠光子自干扰的方式产生自干涉现象。

九

薛定谔的猫：探测问题

在本节中，我们将发现前一节关于非局域性的见解使我们能够解决一个众所周知的长期问题，即“测量问题”或“薛定谔的猫问题”。

1935 年，埃尔温·薛定谔写了一篇题为《量子力学的现状》的论文。它阐述了他对波函数等理论概念与实验室检测电子和光子的真实世界之间的关系的看法。

薛定谔曾用“涂抹效应”来描述这个“奇特案例”。所谓“涂抹效应”，是指当处于叠加态的量子对象(例如图7 中处于路径1 和路径2 叠加态的光子)在D1 和D2 处被探测时所经历的变化。如图8所示，这种探测具有不确定性，但D1 或D2 处的探测概率是可预测的。这些概率由干涉仪的“相位设置”或“路径差”决定。举例来说，若路径差为45 度(即完整波长的八分之一)，则D1 处的探测概率为71%，D2 处的概率为29%。这意味着在长达数百次的实验中(例如相位差设为45 度时进行100 次试验)，光子在D1 处被探测到的概率约为71%，而在D2 处被探测到的概率约为29%。这正是量子不确定性原理的典型例证。薛定谔会说，光子在这两次探测之间被“涂抹”了。

“探测问题”指的是分析此类场景中探测器工作状态的难题。假设D1 探测到光子，它必须通过点击声或在纸上记录数字“1”来做出宏观标记。但问题在于，当用量子物理的数学理论分析这个过程时，结果似乎呈现出一种叠加态——宏观探测器同时显示D1 和D2 的状态。这种现象既未被观测到，也显得荒谬至极。

为了解决这个问题，首先要注意到以下句子描述了这种矛盾的叠加：

光子沿路径1 移动，探测器D1 被触发，AND

光子沿路径2 移动，探测器D2 被触发, (1)

其中单词AND表示叠加。

描述(1)似乎处于一种“宏观叠加态”，其中D1和D2 都会触发。这显然荒谬，且与实际情况相悖——在真实实验室中，观察者只会看到D1或D2中的一个被触发，而不会同时看到两个。问题出在哪里？

薛定谔用著名的“薛定谔的猫”案例阐释了这个悖论。他设想一只被关在密闭房间里的猫，与放射性物质和辐射探测器共同存在。这种放射性物质被特意设计成在一小时内至少发生一次衰变的概率为50%的量子态。当探测器触发时，会激活锤子打破毒气瓶，导致猫死亡。他写道：“从整个系统的波函数来看，这相当于活猫与死猫的叠加态。”他指出：“放射性物质的微观不确定性已转化为可通过直接观测解决的宏观不确定性。这种观测使我们无法简单地将模糊模型视为现实世界的镜像。”这里所说的“模糊模型”，指的是像图7 和图8中光子那样处于叠加态的物体。

综上所述，薛定谔声称，他想象中的猫实验表明，量子“涂抹”(即叠加态)可能导致一只猫同时处于生与死的叠加态，但这很荒谬。

我们将运用第八节的见解来证明薛定谔是错误的。这是因为，正如我们将要展示的，纠缠态并不能描述一个模糊(即叠加)的探测器。

让我们回到图7 所示的干涉仪实验。当光子穿过干涉仪(但在被探测之前)，光子处于以下形式的简单叠加态：

光子沿路径1

AND沿路径2 传播。 (2)

这描述了单个微观物体——一个光子——的叠加态。这种微观物体的简单叠加在量子物理中很常见。(2)确实描述了一个“模糊”的光子。

检测态(1)并非属于此类情况，而是一种纠缠态。该态描述了两种关联的叠加：第一种关联是“光子被检测到水平路径”与“探测器在D1 处记录”之间的关系；第二种关联则是“光子被检测到垂直路径”与“探测器在D2 处记录”之间的关联。这与图11 中两个纠缠光子的描述形成对比：

光子A在A1 处记录

以及光子B在B1 处被记录

AND光子A在A2 处记录

以及光子B在B1 处被记录

AND光子A在A2 处注册

以及光子B在B2 处被记录 (3)

其中AND表示叠加态。这并非像前文陈述(2)那样的简单叠加，而是类似于前文陈述(1)的纠缠态。与陈述(2)描述的单个量子系统同时呈现两种状态不同，陈述(3)所述的纠缠态则描述了两个量子系统同时表现出两种关联性。

回顾前一章，当两个光子处于纠缠态时，它们都不会携带相位。用薛定谔的话来说，这两个光子都不会被“模糊化”。这解决了量子检测的难题。薛定谔对量子检测的批评在于，那些“子系统”(可能包括一只猫)会被“模糊化”。但我们已经看到，检测态本身是纠缠态，这意味着子系统并非被“模糊化”，而是彼此独立且不受相位影响。

因此，对纠缠的正确理解导致了量子物理学中最古老和最深刻的问题之一的解决方案，即探测(或“测量”)问题。

本文选自《现代物理知识》2026年1期YWA编辑