1978年1月28日
颠倒因果的“惠勒猫”
提起量子，常常使人困惑，似乎在量子世界中，一切皆可以发生，量子现象的奇异无边无际，它们颠覆了我们很多的日常经验，也使我们对什么是“真实”产生置疑。比如，一个微观粒子可以具有“分身术”，在同一个时间里，它既在这儿，又在那儿，可能在很多不同的地方现身，又可以在同一时间“坍缩”到一个点上；微观粒子还有“遁空术”，电子能在瞬间“隔空跳跃”，从一地跳到另一地，既不用经过其间的任何一点，也不用花费任何时间；更为奇特的事是，量子事件还可以没有因果关系，依我们日常经验，一个后来的“结果事件”应该受到“原因事件”的影响，然而在量子世界中，这种因果关系却被倒置了，事情的后果可能影响到产生后果的原因。你了解的量子事件越多，就会越觉得它们神奇、古怪甚至荒唐，越是令人感到混乱，就越觉得它们充满着魅力。无怪著名的丹麦物理学家、量子力学的创始人之一尼尔斯·玻尔（图1）曾说：“如果量子力学还没有深刻地震撼你，那你就还没有弄懂它。”
图1
1978年1月28日，著名的美国物理学家约翰·惠勒（J. A. Wheeler）（图2）所撰写的《量子理论基础》一书面世，在这部书里，惠勒提出了一个著名的假想实验——“延迟选择实验”，实验结果之诡谲令人称奇，后来的人们把它与“薛定谔的猫”并称，叫它“惠勒猫”（参见本书11月30日“1935年不死不活的‘薛定谔猫’”）。
图2
像薛定谔猫假想实验一样，“惠勒猫”实验涉及的是微观粒子的量子性质，似乎其中每一步都没有问题，但它一步步地引出了令人意想不到的结果，把人们在日常生活里所建立的因果关系完全颠倒了过来。在一开始，因为这个实验在一部书里讨论，又具有假想的性质，并没有引起多少人的注意。到了第二年，即1979年的3月14日，在纪念爱因斯坦100周年诞辰的研讨会上，惠勒当众把这个实验再度提了出来，并为这个实验补充了更为具体的方案，这就是著名的惠勒“延迟选择实验”（delayed choice experiments）。惠勒认为，通过这个实验，可以证实在量子水平上，此时此刻所做的事情，会对以前发生的事产生不可逃避的影响，即一件事情的后果可以影响到发生这个事件之前的原因，也就是“后果”影响到“前因”。这本是咄咄怪事，但在量子事件中，却又无懈可击。惠勒的这个实验以它的奇异性终于引起了人们的注意。
1911年，惠勒出生于美国佛罗里达州的杰克逊维尔，1933年毕业于约翰霍普金斯大学，取得了博士学位后，来到哥本哈根大学师从玻尔。1938年至1976年，惠勒在普林斯顿大学担任物理学教授。在这里，他与爱因斯坦结识，并再度与玻尔合作研究核物理。惠勒在物理学多个领域中都有着重要的贡献，但他的名气却远不如曾与他合作的玻尔，也不如在普林斯顿的同事爱因斯坦，甚至还不如他的学生费曼。在宇宙学家霍金成名之后，世人被特殊的天体“黑洞”所吸引，却很少有人知道，最早提出“黑洞”概念与黑洞理论的原创者却是惠勒。
惠勒在引力论、相对论和宇宙学方面都有着深度的研究。1967年，在纽约的一次会议中，惠勒首先提出黑洞概念，他认为这是巨大星体死亡时所形成的一个特殊的时空奇点，由于高质量密度与强引力，使这一时空点具有非常奇异的性质。在以后的研究中，他又陆续提出“虫洞”“真子”（geons）和“量子泡沫”等概念，它们都成为宇宙学研究中的经典概念。除此以外，惠勒还与玻尔合作，揭示出了核裂变的机制。他不仅参与了曼哈顿工程，还是美国第一个氢弹装置的主要设计者。在晚年，惠勒更是爱因斯坦研究统一场论的重要伙伴。经惠勒之手，培养出了包括著名物理学家费曼在内的几代美国物理学家。他先后指导过50多位博士生，他们绝大多数成为美国，甚至世界各个前沿学科领域的开拓者和著名专家，可以毫不夸张地说，在美国宇宙和天体物理领域中，从事一线研究的相当一部分专家都是他的学生。
惠勒的一生充满活力，他喜好游泳，乐于与年轻人相处，更爱在大自然环境下思考和工作。他的著述颇丰，在1973年所完成的长达1000页的巨著《万有引力》，充满了深刻的道理与智慧，更具有普遍的可读性，成为再版多次的畅销书。
1983年，他在一篇题为“没有规律的规律”的论文中，惠勒再一次提到了他的“延迟选择实验”，并从量子力学的角度对实验做了详细的阐述。实验的简化装置如图3所示。光源S采用激光，并用光纤作为传输媒介。A是一块镀银的半透半反分光片，从光源S发出的光束1经过半透半反片A后，被分成两束光2a和2b，这两束光分别经过反射镜M1和M2的反射，在没有放入另一块半透半反镀银分光片B时，反射光3a和3b分别被监测器D1和D2所接收。当有光入射时，检测器就会发出响声。如果实验到此，这是一个宏观实验，没有什么值得奇怪的。
图3
为了使实验显示量子状态，令入射光1充分地减弱，减弱到一次只发出一个光子，进入实验装置的是单个光子时，情况该如何呢？单个光子入射到半透半反分光片A之后，由于单个光子不可再分成两半，它在A上要么反射，要么就透射，这将是随机的。如果发生反射，检测器D1将发出“咔”的一声；如果发生了透射，检测器D2就会发声，由此可以知道在哪一条路径上有光子通过，是反射光子到达了，还是透射光子到达了，两个检测器将轮流发声，但决不会同时发声。惠勒认为，检测器D1和D2的轮流发声显示了光子的粒子性。
接着，惠勒建议在3a和3b的交叉处再装一块半透半反片B，由B出来的光被分别为4和5两束，其中4是3a的一半反射光与3b的一半透射光相汇合，5是3a的一半透射光与3b的一半反射光相汇合，4和5分别是两束相干光的叠加。如果实验装置调节得当，4恰好是相干加强时，检测器D2将发出响声，此时5就恰好相干减弱，D1将不响，反之亦然，因此实验结果将是，两个检测器不再轮流发声，而只有一个发声，而另一个不再发声。
当实验使用的是单个光子时，情况又该如何呢？惠勒认为当光子一个个进入实验装置后，仍然会像原来那样，只是一个检测器发出响声，而另一个不响。如果是这样，这就意味着一件不可思议的事，似乎光子在第一个分光片A上，被“分成了两半”，“一半光子”发生了反射，“另一半光子”发生了透射，以后，一定是每“一半”经历了两条不同的路径，因为如果不是这样，即如果只有透射或只有反射时，在检测器上就不会形成干涉加强或干涉削弱现象，也就不会是一个检测器响，而另一个不响了。但是，光子是不可能被劈成两半的，这只有一种解释，即“光子”在这个实验中表现出了波动性。
解释到这里，惠勒提出了一个严肃的问题，放入B和不放入B，是人在以什么方式进行测量，这个实验证明，光子显示粒子性还是波动性，将取决于我们以什么方式进行观察。这个解释恰恰印证了玻尔反复念叨却不被物理界很多人看好的“互补性原理”。
仔细思考这个实验，还将会发现一个更诡异的现象。关键点就在于分光片B的使用，光子经过A时，它表现为粒子性还是波动性似乎取决于B是否存在。但是光子透过A或从A反射，是发生在放置B之前的事，这个“前面的事”似乎受到了后来放置B的干扰，也就是说，光子在A处有什么行为时，就已经预知后来在B处要发生的事了。这不仅说明微观粒子“在任何一处的行为”都对实验有着“整体的认识”，还对“后果”要发生什么有着“预知性”，这不是咄咄怪事吗？由于这一假想实验与薛定谔“猫”同样怪异，有人又把惠勒的“延迟选择实验”戏称为“惠勒猫”。
在20世纪80年代，率先实现惠勒的“延迟选择实验”的是阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）（图4）。阿斯佩是法国奥赛（Orsay）理论与应用光学研究所的一位实验物理学家，他首先成功地完成了惠勒实验检验。他的实验结果确实证明了惠勒的预言，即“光子显示粒子性还是波动性，将取决于我们以什么方式进行观察”，而这个结论正是玻尔早年反复提出的。
图4
1927年9月16日在意大利美丽小镇科莫举行的物理研讨会上，玻尔以“互补性原理”为主题，做了长篇讲话，并利用这一原理对量子世界中所出现的几种诡异现象做出了解释。那次的讲话效果并不好，老物理学家如堕入五里雾般没听懂，青年一代又嫌他过多哲学意味的讲话太晦涩、太啰唆。其实这都不是真正的原因，毕竟量子力学刚刚问世，对这一理论听众并没有准备好，对于量子世界发生什么事，从眼里到心里就没有接受它们，这才是玻尔的“互补性原理”并没有被大多数人所接受的实在原因。惠勒的“延迟选择实验”以及阿斯佩的实验验证恰好给“互补性原理”做出了很好的诠释。完成实验的当年，阿斯佩就在《物理评论通讯》报道了他的实验结果。
惠勒与阿斯佩的“延迟选择实验”具有非凡的开创性，成为迄今为止对量子力学基础做出最有决定性意义的实验检验之一。接着阿斯佩又成功地完成了对贝尔理论的实验检验。多年来，阿斯佩研究组多次取得了量子水平上的实验检验成果，成为这一领域中的佼佼者，可惜诺贝尔物理学奖忽略了他。由于成绩卓著，他获得了2011年度的沃尔沃奖，又于2013年10月7日荣获尼尔斯·玻尔金质奖章（参见本书7月22日“2013年从神话到现实——量子信息隔空传送”）。
该如何认识电子、光子和其他微观粒子的这些奇异的量子行为呢？它们有时呈现粒子性、有时呈现波动性的这一事实，常令人们问起它们究竟是什么。玻尔在他的“互补性原理”中，除了强调“取决于我们采取什么方式去观察它们”以外，他还说：“以人们寻常的眼光和传统的思维模式来询问一个光子或电子究竟是什么，这个问题的本身就是没有意义的。”或者说，“这个问题是不可能得到解答的”。
一个好的科学理论或原理，只能指出一组规则，告诉你在这个世界上的某部分，哪些可以发生，哪些不可能发生，而所做出的这些预测又是反复经过观察检验的。但是，任何科学都不可能告诉你“这个世界是什么”。对这个世界，尤其是我们缺乏日常经验的微观世界，我们只能说，“我们究竟能说些什么和不能说什么”。惠勒猫实验就明确地证明了这一点。我们只能任凭电子或光子“自由自在”地做出“它们自己的选择”。依照玻尔的“互补性原理”，“人们只能就所观察到的事情做出表述”，在光子从A到B这段时间里，“人们没有去观察”，所以“无权论及光子在这段时间到底发生了什么”。玻尔曾一再地说明，对于任何量子现象，“只有在被观察到之后，才能称之为一种可以去说明的现象”。除此以外，我们不能去说什么，解释光子从A到B之间的细节完全超出人的能力，或者说，因为没有测量，论及光子在A、B间到底发生了什么，只是人们自己“一厢情愿”的“设问”，事实上我们什么都不知道。这也正是久经考验的玻尔“互补性原理”具有如此深刻性的所在，因为它正确地抓住了量子现象的奇异特征，这一原理既给了我们“思考的空间”，也限制了我们“发问的自由”。深究其原因，量子现象将涉及一个更为根本的哲学层面的问题，这就是到底什么是物理的“真实”或者物理的“实在”。
关键词：约翰·惠勒，延迟选择实验，尼尔斯·玻尔，互补性原理，“惠勒猫”，阿兰·阿斯佩，John. A. Wheeler，delayed choice experiments，Niels Bohr，complementary principle，Wheeler’s cat，Alain Aspect
图1：http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1922/bohr-bio.html
图2：http://todayinsci.com/W/Wheeler_John/WheelerJohn-Quotations.htm