双缝实验的盒子对版本

这是一种与双缝实验完全等效的实验。在其中你既可以选择将对象（例如一个原子）显示成完全在一个盒子里，也可以选择显示同样是这个原子不是整个地在一个盒子里。通过盒子捕获原子的故事，你可以随心所欲地决定你想演示的矛盾情形。采用这种讲故事的方式是想最大限度地展示量子现象对我们的常识性直觉——独立于观察者的物理实在就“在那里”——提出的挑战。由于在以后的章节我们还会用盒子对来进行描述，所以在此我们仔细讨论一下这个假想实验。

亚里士多德教导说，要发现自然规律，应从最简单的例子开始，并从它们推演到更一般的情形。伽利略接受了这一教诲，但他警告说，我们必须只依靠那些实验能够证明的东西，即使结果有违于我们最深切的直觉。正是通过分析理想化的孤立对象——月球、行星和苹果——的行为，牛顿提出了他的普适运动方程。双缝实验，作为最简单的量子现象展现，也遵循这一思路。我们认真对待装有原子的盒子对，然后将它推广到猫、意识乃至宇宙。

在第6章的扣碗游戏中，豌豆在每个碗下的概率是相等的。这里，概率不是对物理状态的完整描述，毕竟有一粒实际的豌豆确实在这个或那个碗下，观察并不改变物理状态。现在，我们将单个原子的波场等分到两个盒子中，使原子在每个盒子里的概率相等。但是，与扣碗游戏不同的是，在具体的盒子里并不存在“实际的原子”。划分到两个盒子的波函数已经是对物理状态的完整描述。现在的情形与扣碗游戏不同——观察会改变物理状态。

为了显示量子之谜，我们不必描述盒子对是如何准备的。但既然我们已经讲过波函数，这里就对波函数的准备做些描述。在这之后，我们将仅讲述你实际所看到的来展示量子之谜。我们不必提及量子理论或波函数，甚至不提到波就可描述盒子对实验。

先讲一下如何把原子装到盒子对里。我们知道，波都具有反射性质。我们通常用一个半透明的镜子来反射一部分波，使其余的透过镜子。例如，窗玻璃就可使一些光透过，一些光被反射。对此，我们说玻璃使每个单光子的波函数发生分裂。部分光子波函数被反射，部分波函数被透射。我们也可以对原子采用这种半透明的镜子。它使原子的波函数分裂成两个波包。一个波包透过，另一个被反射。

镜子和两个盒子的安排如图7.4所示。这种安排可使原子的两部分波函数都被盒子捕获。我们用已知速度发送一个原子，然后当原子波函数的波包进入盒子后关门。这之后，每个部分的波函数在盒子中来回反射。在图7.4中，我们显示了前后相连的3个波函数及其波场。

我们知道每个盒子对里有且仅有一个原子，因为我们观察到这个原子并将其发送到其中的一个盒子里。目前，借助适当的工具，我们已经可以观察到并处理单个原子和分子。例如，利用扫描隧道显微镜，我们可以拿起和放下单个原子。

要将一个原子在不扰动其波函数的条件下放到盒子里是一项非常富于技巧的技术，但它肯定是可行的。将原子的波函数进行分隔并置于事先准备好的区域的实际原子干涉实验也已非常成熟。实际上，计算物理设备中所捕捉的原子没必要通过我们这样的演示。明确指定了空间区域就足够了。我们之所以用盒子来代表每个区域，纯粹是想让它更像前面的扣碗游戏。因此接下来，我们只需考虑原子已经在那里，正等着我们选择用它做什么，而不是让它通过双缝打到检测屏上。

从这里开始，我们对盒子对实验的描述将不再提及波函数或波。我们只说你实际看到的是什么。我们采用量子理论中立的立场来描述观察。这样做要强调的是，量子之谜直接产生于实验观测。量子之谜的存在不依赖于量子理论！ tDABELDbTLzr97LJYTDWLLmC8LXqBPMUwAUCCKZaJUf3OJUA9ttJt3b5i+ptvpm3