该电子束中的每个电子都像预期的那样沿直线穿过通道。我们发射上旋的电子,所以它们很自然地都只向上偏转。但现在,假设我们把第二通道旋转90度。这束上旋的电子会一分为二,这一次是左旋或右旋。
显然自旋是由我们所观察的轴决定的,所以如果我们把磁铁横向放置,就会得到左旋或右旋的电子束。
我们已经把所有电子分为上旋和下旋两类,接下来把上旋电子分为左旋和右旋两类。
现在,我们让上旋-左旋电子通过另一个通道,这次的通道与第一个一样是纵向放置的。进入通道的是一束上旋-左旋电子,所以很明显,从通道另一边出来的将是一束上旋电子。但事实并非如此:有50%的电子变成下旋。
不要倒“下”
想象有一群人,我们让他们去医院门诊验血。首先,我们把A型血和B型血的人分开;接着,我们带着A型血的人去第二个门诊,区分A+型和A-型;之后,我们把A+型血的人带回第一个门诊,却发现其中有人自动地变成了B型血。这就是电子自旋做的事情。为什么会这样呢?
我们先前的假设是:上旋电子通过左旋/右旋通道后仍然是上旋的。但这并不能解释我们实际看到的情况。严格来说,当我们发射上旋电子通过左旋/右旋通道时,我们在另一边所能确定的是这些电子是左旋还是右旋。我们再也无法知道它们是上旋还是下旋,因此没有理由假定它们和以前一样,似乎测量电子的左旋/右旋会让它忘记自己的上旋/下旋。
这告诉我们一个新的海森堡不确定性原理:我们永远不可能同时知道一个粒子的两个轴向的自旋。横向和纵向的自旋可以单独测量,但测量一个就会抹掉另一个,就像测量粒子的位置会抹掉它的动量。但还有更奇怪的事情在发生。
对于粒子的某种性质,如果我们测量它的互补性质,原来的性质就会被抹掉。这意味着测量行为本身会通过某种方式让粒子接受最重要的性质。
施特恩-格拉赫实验表明,我们未测量的自旋性质迷失了,只能在重新测量它的时候找到它。显然,当我们不注意的时候,粒子的性质简直可以说是不存在的。这意味着恩培多克勒的古老思想,即人眼赋予物体外观,可能揭示了最终的真理。
你仔细看了吗
回头看看双缝实验,我们不得不怀疑自己的理解是否正确。当粒子穿过双缝时,我们假设它有确定的位置,但也许它没有。也许双缝实验的结果是因为电子根本不是电子,而是某种诡异的幽灵状态,只有当探测屏测量到它时,它才变成了具有明确属性的粒子。
我们用薛定谔波动方程计算出某个特定结果的概率,但在真正测量到那个结果之前,一切都是未知的。粒子没有通过任何一个狭缝,因为它还不是具有某种性质的粒子。
我们真正应该做的是在每个狭缝旁边放一个小摄像头,观察粒子在做决定的那一刻做了什么。如果粒子真的在那里,我们就应该能看到它做决定。
好吧,我忏悔。相关实验并没有真的在狭缝旁放一个摄像头,但进入狭缝测量的细节相当无聊。所以让我们想象实验中真的有微型摄像头吧。
在施特恩-格拉赫的实验结果出来之前,我们希望记录一个粒子同时通过两个狭缝的镜头。实际发生的是物理学中最奇特的结果之一。当摄像头对准这些狭缝时,电子会像经典粒子一样每次只穿过一条狭缝,量子斑马条纹也会消失。
在狭缝旁边放置摄像头是一种测量,它以某种方式使粒子变成了粒子。不拍摄的时候,粒子具有波动性;可我们一打开摄像头,它们就恢复正常。在我们的预料中,这是政客的性质,而不是粒子的性质。我的意思是,以马克斯·普朗克的灯泡的幽灵之名,粒子如何知道我们是否打开了摄像头?
这就是所谓的“测量问题”,其原因不言而喻。我们不观察粒子的时候,它的动量、能量、自旋甚至位置都在某种我们从未直接看到的、未知的虚无中摇晃。不知怎么,测量迫使它们接受了现实世界的性质。显然,粒子很在乎我们是否观察。