## 问答：会不会一切早已确定？

> 读者 怀沙不是艺名！：
> 万老师，我问一个具体的问题。在量子力学的各种实验中，总说“发出一个光子”。我很好奇一个光子是怎么发出的？可以简单向我解释一下一个光子的发射机制吗？这是一种什么样精细的机器呢？

> 万维钢

我们对实验的描述都是概念化的，忽略了所有的技术细节。当我们说“发出一个光子”的时候，大家感觉好像就是有一个光子老老实实地走向实验装置，走过整个的路径，就算是完成一次实验。实际的操作跟这个想象有两点不同。

一个是所谓“单光子”，不是说有个按钮，用一个就发射一个，这个做完了还想用就再发射一个。物理学家实际使用的是一个“单光子源”，这个源一开启它就会*连发*光子。“单光子”的“单”，是体现在各个光子出来之间有一个最小的时间间隔，这样我们确保它们是像机关枪发射子弹一个一个出来，而不是像水枪发射水分子一样一出来就是一大堆。而那个间隔通常是非常小的，大概只有几毫秒甚至几百分之一毫秒。所以我们说的这些单光子干涉实验其实都是看一个统计的结果。

另一个是，发射单光子，本身也是一个量子力学过程。不确定性原理禁止存在一个拥有确定频率、在确定的时间发射的光子，所以发射单光子其实是一个随机过程。这也就是说相邻两个单光子之间的时间间隔是不确定的，你并不是想要一个就立即有一个。这对实验统计是一个麻烦，你不容易知道这一段时间总共发射了多少个单光子。

事实上单光子发射的问题一直到 1970 年才解决。现在大约有三种方法。一个是利用原子的自发辐射。我们知道原子轨道上的电子，从高能级自发地落入低能级的时候，会辐射出来正好一个光子。辐射了这个光子，你再给点能量把它送到高能级，它就会再辐射一个。只要你控制好环境和原子的个数，这就是一个单光子源。这本是一个传统的方法，但缺点是自发辐射出来的光子没有特定的方向，不好用。

一个现在有人在用的方法是用一束激光照射一个晶体。激光是一群频率固定的光子，它们打在晶体上，绝大部分就直接穿过去了。但是其中有极少的光子 —— 大概每一百万个中才有一个 —— 会跟晶体发生所谓“自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion）”效应，变成频率相等的两个光子。为什么转换率这么低呢？因为这个过程跟“真空涨落”，也就是咱们上周说的真空中凭空出现虚粒子的现象有关系，这里不细说。不论如何，你照射一束激光过去，就会不定期地得到两个频率确定、互相纠缠、而且方向性比较好的光子。

![图片](https://piccdn3.umiwi.com/img/202007/31/202007312021042564056173.png)

这两个光子各自走向一个方向。我们在其中一个方向等着接收，只要接收到了光子，就知道另一个方向也产生了光子 —— 那个就是可以用来做实验的单光子了。这样我们不但得到了有方向的单光子，还能随时计数。

而现在更高级的做法，大概也是制备量子计算机和量子通讯用的单光子的标准做法，则是挖一个“微腔”，大约可以理解为一个小小的洞，然后在这个微腔里放一个“量子点”，大约相当于是一个原子。把外界激光的光子打进这个微腔，它会在里面不断地折射反射乱转，直到它偶然地打到那个量子点上。量子点的原子收到这份能量进入激发态，再发生自发辐射，回到基态，贡献一个单光子。为什么非得用这个办法，它比一般的自发辐射方法好在哪里，具体的技术细节，是我所不知道的。不过我看报道说现在全世界做这个做得最好的是中国科大潘建伟的组。

所以你看在技术上实现一个概念还是非常困难的。我其实觉得实验物理在很大程度上不是看谁物理想法强，而是看实验技术。想法都就在那里，你能做出来才是真厉害。

> 读者 木木⺄〈：
> 万老师，会不会是宇宙大爆炸的那一刻，世界上所有粒子的运动轨迹就是确定的了，所在我们观测光子的时候，其实这个动作早就已经注定了，因为人也是由粒子组成的，包括我现在打字，也早就被光子计算在内了？

> 万维钢

这种可能性在哲学上是成立的，而且它有一个名目，叫“超级决定论（Superdeterminism）”，而且好像还是贝尔本人第一个提出来的。

我们说量子力学里有鬼魅般的超距作用，这是因为实验确实证实了，对于相互纠缠的两个粒子 A 和 B，当我们测量 A 的时候，B 立即知道；或者当我们戴上眼镜的时候，A 和 B 的联合行动立即不一样。我们的行动，对 A 和 B 来说是一个外加的信息，然后它们互相传递了这个信息。

但是这一切推理都有一个隐含的假设，那就是“我们的行动”是自由的，我们要不要戴眼镜、什么时候测量粒子 A，这些决定对两个粒子来说是一个*意外*。

超级决定论则是说，如果你的行动根本就不是一个意外呢？如果你根本就没有自由意志呢？你的大脑说到底，也就是一堆原子，你的决定其实也是原子的运动。

那我们设想，也许这个世界根本就没有什么量子力学的不确定性，一切都是确定的。从宇宙大爆炸那一刻，物理定律就已经把这个宇宙怎么演化，未来要发生的每一件事都给确定下来了。

物理定律确定了你昨天下午 3:02 做出戴眼镜测量的决定。物理定律也确定了那些粒子在 3:02 那一刻变更行为模式。其实粒子的行为跟你的测量决定之间根本没有什么横向的因果关系，却都是宇宙创生之初决定好了的。所以，这里面根本不需要有什么超距作用。

而你所谓的实验发现，只不过是一个巧合。所有的实验结果，你以为是随机的，你以为是因为波函数才有了干涉，其实都是错觉。物理定律恰恰安排了那些粒子在那个时候那样表现，也安排了你的大脑做出那样的决定。

这就好比说有一天我跟家人在山脚下游玩。山上有一块大石头，我说我会气功，能远程发功让这个石头下来，我儿子表示不信。于是我手指石头，大喊一声“落！”然后那个石头果然滚落下来了！我儿子大惊失色 —— 殊不知我的决定和石头的行动都是事先就安排好的。

超级决定论在逻辑上无懈可击。但是这是一个没什么用的假说，而且你会很奇怪，为什么每次都那么巧……

不过从另一方面来说，人似乎的确不应该有自由意志。到底有没有真的不确定性？人的意志也有不确定性吗？目前来说，不管你的立场是什么，你都只是信仰而已。

> 读者 Lance：
> 想请问万sir，我的理解是：维格纳与他的朋友都必须得到同一个偏振结果，争议是在波函数的坍缩究竟是维格纳观察时就发生，还是因为不同观察者而产生多个波函数，造成可以针对同一事件同时波函数A已坍缩但B还没有。我的问题是： 无论这个思想实验答案为何，偏振结果都必须一样，不是吗？那怎么延伸到平行宇宙的概念？平行宇宙不是应该是波函数 A 是垂直偏振，而 B 却观察到平行偏振吗？

> 万维钢

你的理解是对的。粒子的波函数不管是什么时候坍缩的，它都只坍缩一次，维格纳和维格纳的朋友在任何情况下都会测量到相同的结果。事实上维格纳不用自己测量，只要他的朋友喊一声，告诉他测量结果，他这边也会认为整个的波函数坍缩了。

维格纳和他朋友的世界观差异不是针对粒子的偏振，而是针对“粒子波函数是否已经坍缩”。

平行宇宙 —— 如果你相信这个解释的话 —— 的分叉发生在每一次波函数的坍缩。能够跟维格纳在事后发生交流的那个朋友，肯定是跟维格纳在同一个宇宙之中，所以他俩没问题。

但是在二人交流之前，朋友还在实验室里的那个时刻，里面的那个朋友，将来可能会跟外面这个维格纳在不同的宇宙之中。他俩可能会有矛盾，但是他俩不会有交流的机会。

> 读者 Ryan：
> 既然退相干是逐渐发生的，那这个“逐渐”是在哪个时间量级？与宏观或者微观物体的哪些性质有关？

> 万维钢

一堆粒子的相干性变差，这是一个随着时间、指数衰减的过程。如果粒子比较少，比如两三个光子，能保持多长时间的相干态取决于技术条件。现在的技术可以保持，大概是10分钟，这个数量级。

而退相干的时间跟粒子的个数成反比。宏观的物体，考虑到区区一“摩尔”就有 10^23 个粒子，退相干就是一瞬间的事情。

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