从光的本质到真实之辩

苗千

关于光的本质的辩论，这是一个古老的问题，也可以看作一个全新的问题。

1925年，爱因斯坦（右）与尼尔斯·波尔之间关于量子力学本质，乃至于关于真实本质的辩论

说起物理学界著名的辩论，可能很多人都会首先想到从20世纪初开始的，爱因斯坦与尼尔斯·波尔之间关于量子力学本质，乃至于关于真实本质的辩论。这场辩论可谓旷日持久，几乎占据了两位科学大师的下半生。从后来的实验结果来看，似乎是波尔最终赢得了这场辩论，后来各种越来越精密的实验，结果大多都符合波尔的预测，爱因斯坦看似站在了量子力学的反面。

两位科学大师在这场旷日持久的辩论中也留下了很多名言。爱因斯坦面对令他迷惑不解的新理论，曾经说过“上帝不是在掷骰子”，而波尔则针锋相对，毫不客气地说：“爱因斯坦，不要指挥上帝该怎么做。”这场争论也使爱因斯坦对于真实的含义感到迷惑。在晚年的一次散步途中，他问陪同自己散步的派斯教授，是不是相信月亮只有在我们看它的时候它才会在那里。

爱因斯坦与波尔之间的争论代表了人们对于真实含义的不同理解。爱因斯坦坚持认为物质的存在是一种客观事实，不以人类的意志为转移;而波尔则认为爱因斯坦对于真实的要求太过苛刻，他相信一个现象在没有被观察到之前，就不能被称为一种现象。

这样的争论固然是因为在20世纪初出现的量子力学太过于违反人的直觉，但实际上人类关于真实本质的争论则是从人类文明诞生之日就开始了的。在科学界一场更加著名的、持续时间更久的辩论该算是从牛顿时代就开始的关于光的本质的辩论。光究竟是什么？牛顿相信光是一种微粒，他用一个简单的三棱镜将一束白光分解为一条彩色的光帶，以此来说明人们眼中的白光是由不同颜色的单色光组成。反方则认为光是一种波，这一方最大的胜利来自于一位英国医生托马斯·杨在1801年进行的双缝干涉实验。当光线展示出了波所特有的干涉性质之后，光的波动性质又变得不可置疑。

这场关于光的本质的科学界大辩论，从牛顿时代开始，一直到19世纪末，持续了200多年的时间，若是向前，甚至还可以追溯到古希腊时代哲人们形而上学的辩论，若是往后，在量子力学时代人们关真实的本质的辩论大约也可以看作是这场大辩论的延续。

关于光的本质所引发的旷日持久的争论，到了量子力学时代，人们终于得出了一个看似模棱两可的答案：光既是粒子，又是波。而且这样的所谓“波粒二象性”也并非是缥缈的光子所独有，似乎一切微观粒子都有此特性，以前人们以为构成物质的基本成分，坚实的颗粒，居然也会表现出波动的性质，而一些波则也具有粒子的性质。这样的一个结果，看似两全其美，可以让争论的双方都满意，实际上只不过是将困扰了人类几千年的难题翻新一遍，而且引入了一个更令人迷惑的成分，那就是作为观测者的人类自身。

观测者在一个物理系统之中应该处于什么位置，在此之前似乎是一个无需讨论的话题，人类作为观测者，只应作为旁观者来设计和记录实验，不应该对实验结果有任何影响。但是越来越多的实验表明，原本应该进行旁观和记录的人类也会对于实验结果产生影响。换句话说，在一些量子领域的试验中，实验会取得什么样结果，似乎是取决于实验者想要观测到什么样的结果。实验者自身成为实验的一部分。

量子光学实验的结果成了“波粒二象性”最新的注解，而人类的意识，实验者的选择在其中究竟起到了什么作用，则让人更加迷惑。为了说明人的选择对于实验结果的影响，乃至于真实和因果律的本质，美国理论物理学家约翰·惠勒提出了一个想象中的“延迟选择实验”（delayed choice experiment）。

惠勒在1983年与波兰裔美国物理学家沃杰克·祖瑞克（Wojciech Zurek）共同发表了文章《无规则之规则》（Law Without Law），在文中他首次提出了一个实验设想：光子在出发之后经过一个分光镜，根据量子力学的解释，此时因为光子的波动性质，它可以“同时”沿着两条路线前进，如果放置一个探测器来探测光子，因为波的干涉性质，光子被探测到的位置将呈现出条纹状的分布。但是另一方面，如果在光子出发之后，实验者在光路上放置另一面分光镜使光线会聚，那么实验者探测到的光子位置又将呈现出粒子的特性，干涉现象消失了。

光是粒子还是波，它的本性究竟该由什么来决定？光子在出发之后是否会“选择”作为粒子或是波，它的性质究竟是在什么时候决定的？如果说人的观测对于实验也有决定性的影响，那么人又何以成为实验的一部分？人的推测无关紧要，科学发展所信赖的是实验结果。惠勒所构想的理想实验早已被实验物理学家们实现，而且结果也正如惠勒所预想的，与实验观测者的选择有关。

这样的实验在更大尺度上，是否有可能依然成立？为了证实这一点，来自意大利帕多瓦大学、马泰拉激光测距天文台以及意大利e-GEOS公司的几位科学家，在太空中实现了惠勒的延迟选择实验。2017年10月25日，他们在《科学》杂志出版的在线开放获取期刊《科学进展》（Science Advances）上发表论文《将惠勒的延迟选择实验拓展到太空中》（Extending Wheeler's delayed-choice experiment to space），报告了他们在太空中依赖人造卫星进行惠勒延迟选择量子实验的过程。

与此前在狭窄的实验室中进行的光学实验不同，几位科学家在意大利南部的马泰拉激光测距天文台，利用天文望远镜充当接收光子的探测器，利用地球轨道上的人造卫星充当反射装置，在几千公里的距离上进行惠勒延迟选择实验。在这次太空级别的光学实验中，光子从地球出发，经发射后回到地球的路程需要10微秒的时间，而科学家们选择在光子行进的路程过半之后进行选择，而实验结果依然显示符合约翰惠勒的预测。

这个实验结果算得上是对于此前类似实验的又一次肯定，或许算不上惊世骇俗，但是从另一个方面来说，它也算得上人们对于“真实”这一概念看似约定俗成的理解的又一次打击，也算是人类延续了数千年的关于光的本质的辩论延续。“实在”“因果关系”，这些看上去自从一个人出生之日起就约定俗成的概念如今受到了无比严峻的挑战。这是一个古老的问题，也可以看作是一个全新的问题，人类该对它如何作答，关系着物理学的未来。