量子世界中的破坏性干涉

整个故事还缺了一个重要的环节。我要求读者思考猫的问题；他由数以兆计的原子所组成，能同时处于存活与死亡两种态。但我同时还期望你仅基于量子世界的怪异性，就接受单一原子可同时处于两种态的概念。因此，我想我最好先解释清楚物理学家为何如此确定原子是这样表现的。

量子物体“同时做两件（或更多）事”或者“同时位于两处（或更多处）”的特性，严格的说法叫做“迭加”（superposition），而这个概念可能不如你想象中陌生。事实上，迭加并非量子力学独具的性质，而是一般波动都会有的特性。在水波的例子里，这个特性最为明显。想象我们正在观赏奥运会的跳水比赛。当选手跃入水中，你会看到圆形的波纹由入水点一路向外扩散到水池边。这与泳池中挤满了戏水的人潮时，到处水花飞溅的状态呈现鲜明的对比。

许多扰动加总在一起的效应，让水面波澜四起。这种将不同的波累加起来的程序便称为迭加。

考虑许多波的重迭是相当复杂的，只考虑两个波的迭加就容易许多。设想两颗石头同时落入一潭止水中，一颗从你的右手，另一颗从左手。每一颗石头入水后都会产生向外扩散的圆形波纹，并且与另一颗石头引起的波纹重迭。如果拍摄一张这种迭加的快照，你将会观察到复杂的图案，并且在某些位置出现两种极端不同的状况：在某些位置，两个波的波峰会累积成更高的波（称为“建设性干涉”）；在另外一些位置，其中一道波的波峰则会完全被另一道波的波谷抵消，使该处的水面暂时平静下来，彷佛没有波通过一样（称为“破坏性干涉”）。请记住以下观念：两个波的扰动经过迭加后有可能彼此抵消。

接着，我们来看这种现象在量子世界中的对等行为。我们在第五章讨论光及其波动如何在宇宙中传递时，曾提过一种叫做干涉仪的装置，能够将两道波迭合在一起，显示两者之间的建设性或破坏性干涉。在干涉仪里输入单一波动，就能产生某种可观测信号；经过调整之后，可以让输入的第二道波与第一道波产生破坏性干涉，让信号消失。这清楚证明：输入干涉仪的信号具有波动性。

现在我们要进入真正精彩的部分了。某些类型的干涉仪可以侦测次原子粒子（例如电子）的出现。这些粒子可经由某种装置将其行进路径一分为二，使它们循着两条不同的路径前进，直到最后再次汇集。如果把这类装置设计成可以接收光束，它的功能就显而易见：光可透过一个名为“半镀镜”（half-silvered mirror）的装置分为两束（一片半透明的玻璃，能使一半的光透过并沿着其中一条路径前进，另一半的光则被反射，走另一条不同的路径）。这个装置能够使原本的一道光束变成两道。这两道光束（或光波）在装置里沿着不同的路径传递，最终再度交会并在彼此之间产生干涉；干涉的结果则取决于各自行经路径的精确长度。如果两条路径长度完全相同，两道光波就会完全重合，称之为“同相”（in phase）；但如果它们再度交会时是“反相”（out of phase），在某些地方就会发生破坏性干涉，这些地方就像没有光照射到一样。要记住的重点是，只有在两个波彼此重迭时，会产生这些结果。

以下是量子世界真正令人震惊的性质。如果将一颗电子输入类似的装置，迫使它在两条路径中择一（例如，利用磁铁或带电导线使它偏向其中一个方向），那么我们看到的将不是常识所预期的。

电子不会沿着其中一条路径行进，而是出现类似光波的表现，借由某种方式分成两半，同时沿着两条路径传递。我们怎么知道会这样？当一颗电子表现得像两束通过该装置的光时，我们在两条路径再度交会之处所看到的结果，正好符合预期的干涉图形。量子力学诞生后，物理学家就一直试图厘清粒子（例如电子）如何做到这一点。他们似乎真的能同时沿着两条路径行进，否则我们就不会看到像波一样的建设性与破坏性干涉行为。事实显示，当我们没有进行观察时，必须将量子物体描述成波，这正是量子理论所预测的。但是一旦我们进行观测，例如在干涉仪的其中一条路径上安装某种侦测器，我们不是观测到电子行经该路径，就是未观测到任何信号（亦即电子走另一条路）。换句话说，当我们在电子传递过程中对它进行量测，就只会看到电子取道两条路径之一。因为在这么做的同时，我们无可避免地会干扰它的量子行为，使任何类似波的干涉特性消失。这时电子已不再同时沿着两条路径行进，所以这一点也不奇怪。

我们得到的启示如下：在量子世界中，事情的发展取决于我们是否进行观察，结果会有很大的不同。当我们不观察时，它们处于迭加态，能同时做两件以上的事。一旦我们进行观察，就会立即迫使它们在各种选项之间做出选择，呈现合乎常理的结果。关在箱子里的放射性原子与猫，确实是两种量子态的迭加，同时是已衰变与未衰变。这并不是因为我们无法掌握信息，所以必须“容许”它可能处于任一状态，而是因为它确实是两者虚幻般的结合。