從光的本質到真實之辯

苗千

關于光的本質的辯論，這是一個古老的問題，也可以看作一個全新的問題。

1925年，愛因斯坦（右）與尼爾斯·波爾之間關于量子力學本質，乃至于關于真實本質的辯論

說起物理學界著名的辯論，可能很多人都會首先想到從20世紀初開始的，愛因斯坦與尼爾斯·波爾之間關于量子力學本質，乃至于關于真實本質的辯論。這場辯論可謂曠日持久，幾乎占據了兩位科學大師的下半生。從后來的實驗結果來看，似乎是波爾最終贏得了這場辯論，后來各種越來越精密的實驗，結果大多都符合波爾的預測，愛因斯坦看似站在了量子力學的反面。

兩位科學大師在這場曠日持久的辯論中也留下了很多名言。愛因斯坦面對令他迷惑不解的新理論，曾經說過“上帝不是在擲骰子”，而波爾則針鋒相對，毫不客氣地說：“愛因斯坦，不要指揮上帝該怎么做。”這場爭論也使愛因斯坦對于真實的含義感到迷惑。在晚年的一次散步途中，他問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候它才會在那里。

愛因斯坦與波爾之間的爭論代表了人們對于真實含義的不同理解。愛因斯坦堅持認為物質的存在是一種客觀事實，不以人類的意志為轉移;而波爾則認為愛因斯坦對于真實的要求太過苛刻，他相信一個現象在沒有被觀察到之前，就不能被稱為一種現象。

這樣的爭論固然是因為在20世紀初出現的量子力學太過于違反人的直覺，但實際上人類關于真實本質的爭論則是從人類文明誕生之日就開始了的。在科學界一場更加著名的、持續時間更久的辯論該算是從牛頓時代就開始的關于光的本質的辯論。光究竟是什么？牛頓相信光是一種微粒，他用一個簡單的三棱鏡將一束白光分解為一條彩色的光帶，以此來說明人們眼中的白光是由不同顏色的單色光組成。反方則認為光是一種波，這一方最大的勝利來自于一位英國醫生托馬斯·楊在1801年進行的雙縫干涉實驗。當光線展示出了波所特有的干涉性質之后，光的波動性質又變得不可置疑。

這場關于光的本質的科學界大辯論，從牛頓時代開始，一直到19世紀末，持續了200多年的時間，若是向前，甚至還可以追溯到古希臘時代哲人們形而上學的辯論，若是往后，在量子力學時代人們關真實的本質的辯論大約也可以看作是這場大辯論的延續。

關于光的本質所引發的曠日持久的爭論，到了量子力學時代，人們終于得出了一個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有，似乎一切微觀粒子都有此特性，以前人們以為構成物質的基本成分，堅實的顆粒，居然也會表現出波動的性質，而一些波則也具有粒子的性質。這樣的一個結果，看似兩全其美，可以讓爭論的雙方都滿意，實際上只不過是將困擾了人類幾千年的難題翻新一遍，而且引入了一個更令人迷惑的成分，那就是作為觀測者的人類自身。

觀測者在一個物理系統之中應該處于什么位置，在此之前似乎是一個無需討論的話題，人類作為觀測者，只應作為旁觀者來設計和記錄實驗，不應該對實驗結果有任何影響。但是越來越多的實驗表明，原本應該進行旁觀和記錄的人類也會對于實驗結果產生影響。換句話說，在一些量子領域的試驗中，實驗會取得什么樣結果，似乎是取決于實驗者想要觀測到什么樣的結果。實驗者自身成為實驗的一部分。

量子光學實驗的結果成了“波粒二象性”最新的注解，而人類的意識，實驗者的選擇在其中究竟起到了什么作用，則讓人更加迷惑。為了說明人的選擇對于實驗結果的影響，乃至于真實和因果律的本質，美國理論物理學家約翰·惠勒提出了一個想象中的“延遲選擇實驗”（delayed choice experiment）。

惠勒在1983年與波蘭裔美國物理學家沃杰克·祖瑞克（Wojciech Zurek）共同發表了文章《無規則之規則》（Law Without Law），在文中他首次提出了一個實驗設想：光子在出發之后經過一個分光鏡，根據量子力學的解釋，此時因為光子的波動性質，它可以“同時”沿著兩條路線前進，如果放置一個探測器來探測光子，因為波的干涉性質，光子被探測到的位置將呈現出條紋狀的分布。但是另一方面，如果在光子出發之后，實驗者在光路上放置另一面分光鏡使光線會聚，那么實驗者探測到的光子位置又將呈現出粒子的特性，干涉現象消失了。

光是粒子還是波，它的本性究竟該由什么來決定？光子在出發之后是否會“選擇”作為粒子或是波，它的性質究竟是在什么時候決定的？如果說人的觀測對于實驗也有決定性的影響，那么人又何以成為實驗的一部分？人的推測無關緊要，科學發展所信賴的是實驗結果。惠勒所構想的理想實驗早已被實驗物理學家們實現，而且結果也正如惠勒所預想的，與實驗觀測者的選擇有關。

這樣的實驗在更大尺度上，是否有可能依然成立？為了證實這一點，來自意大利帕多瓦大學、馬泰拉激光測距天文臺以及意大利e-GEOS公司的幾位科學家，在太空中實現了惠勒的延遲選擇實驗。2017年10月25日，他們在《科學》雜志出版的在線開放獲取期刊《科學進展》（Science Advances）上發表論文《將惠勒的延遲選擇實驗拓展到太空中》（Extending Wheeler's delayed-choice experiment to space），報告了他們在太空中依賴人造衛星進行惠勒延遲選擇量子實驗的過程。

與此前在狹窄的實驗室中進行的光學實驗不同，幾位科學家在意大利南部的馬泰拉激光測距天文臺，利用天文望遠鏡充當接收光子的探測器，利用地球軌道上的人造衛星充當反射裝置，在幾千公里的距離上進行惠勒延遲選擇實驗。在這次太空級別的光學實驗中，光子從地球出發，經發射后回到地球的路程需要10微秒的時間，而科學家們選擇在光子行進的路程過半之后進行選擇，而實驗結果依然顯示符合約翰惠勒的預測。

這個實驗結果算得上是對于此前類似實驗的又一次肯定，或許算不上驚世駭俗，但是從另一個方面來說，它也算得上人們對于“真實”這一概念看似約定俗成的理解的又一次打擊，也算是人類延續了數千年的關于光的本質的辯論延續。“實在”“因果關系”，這些看上去自從一個人出生之日起就約定俗成的概念如今受到了無比嚴峻的挑戰。這是一個古老的問題，也可以看作是一個全新的問題，人類該對它如何作答，關系著物理學的未來。