四个实验
下面描述的实验是相当标准的范例，广泛用于说明量子事实某些令人迷惑的特点。实验1如前面的图25-1和图25-2所示，也就是，我们用一把电子枪，向一个有双缝的障碍物发射电子，并用相纸记录电子落点的分布。
根据这个实验设置，结果很明显是波效应。也就是说，相纸上会出现交替出现的暗带和亮带。请再注意一下，从某个意义上说这是一个直接明确的量子事实。我们所描述的只是由观察得来的直接明确的结果：如果你设置一个有双缝的装置，就像前面所描述的那样，那么结果就将是一张有暗带和亮带交替出现的相纸。
至于实验2，让我们把第一个实验的设置稍作修改。具体来说，假设我们保留了第一个实验的全部实验设置，只是增加了一个被动电子探测器来监测每一条缝。也就是说，在上面那条缝的后面，我们放置一个电子探测器，将其称为探测器A，它将记录所有通过上面这条缝的电子。在另一条缝的旁边，我们放置第二个探测器，将其称为探测器B，它将监测下面的这条缝。整个实验设置看起来就如图25-4所示。
图25-4 加入了电子探测器的双缝实验
加入探测器是出于以下考虑：如果电子是波，那么波将会同时通过两条缝，因此，两个探测器应总是同时启动，绝对不可能出现只有其中一个探测器单独启动的情况；而如果电子是粒子，那么每个粒子最多只能通过两条缝中的一个，因此，每次应该只有一个探测器探测到电子，两个探测器绝不会同时启动。
回忆一下，在实验1中，结果很明确是波效应。现在我们所研究的实验完全保留了实验1的设置，只是多了探测器。由于这些探测器是被动探测器，探测器将不会干扰电子，只会提示电子是否存在。我们最初的判断会是这个实验的结果将同样是波效应。然而，实际情况恰恰相反，这个实验结果很明确是粒子效应。与此一致的是，在一个时间点，只有一个探测器启动。探测器从来没有在双缝处同时探测到电子，也就是从来没有出现在波效应中应该出现的情况。这个结果看起来似乎表明有了探测器的存在，电子的行为模式就变成了粒子。
除此之外，假设我们在电子探测器上安装一个开关（类似电灯开关），这样我们就可以按照自己的需求打开或关闭探测器了。只要调整开关所在位置，我们就可以在波效应和粒子效应之间转换。当开关在关的位置，我们将看到波效应，在开的位置，就是粒子效应，而且只需要将开关前后一拨，就可以在两者之间进行转换，频率和速度完全由我们自己控制。
这些实验结果非常出人意料，因为很难想象这样的探测器如何可以给实验结果带来如此实质性的改变。然而，重申一下，这就是有关量子实体实验的一个事实，也就是说，如果实验设置如实验1中所述，结果是波效应。如果我们如实验2中那样加入了电子探测器，结果就是粒子效应。同时，就像前面提到过的，仅仅是打开或关闭探测器，我们就可以在波效应和粒子效应之间转换。
至于实验3，我们将使用光子枪而不再是电子枪。光子枪是一种可以发出光线“单元”的设备。在这个实验设置中，我们将使用一个分束器（实际上只是一面部分镀了银膜的镜子）、一个合束器（实际上只是一面双向镜）、两个普通镜子和一张用来记录结果的相纸。与实验2中相似，我们将加入两个光子探测器，但是在实验3中，这两个探测器将保持关闭。总之，整个实验设置看起来就如图25-5所示。
这个实验背后的核心如下：假设光子是波，那么光子枪向分束器发射一束波，分束器将这束波分成两束，其中一束波继续直行，到达图25-5中右上角的镜子，而另一束被反射后向下运动，到达图25-5中左下角的镜子。这面镜子再次将波反射，使这束波与另一束波在合束器处合并，然后到达相纸处。由于在这个情境中存在两束波，因此它们会互相干涉，并在相纸上产生波的干涉模式，也就是波效应。
图25-5 分束器实验
另一方面，如果光子是粒子，那么光子的运动路线要么是上方/右侧路线，要么是下方/左侧路线。在这里，不存在波的干涉，因此我们将看到的应该是粒子效应。
尽管我们在示意图中包括了光子探测器，但在实验3中，这些探测器是关闭的，因此没有发挥任何作用。当我们进行这个实验时，结果很明确是波效应，仿佛光子是波。
在实验4中，我们将保留实验3的全部实验设置，同时把探测器打开。到这时，你很有可能会猜测，而且这个猜测确实是正确的，也就是如果我们打开探测器，可能会出现奇怪的现象。同样地，这些探测器很可能扮演了一个被动的角色，就像实验2中的探测器一样。同时，如果光子像前一个实验所表明的那样是波，那么我们将看到的就应该是两个探测器同时启动。毕竟，实验3意味着光子是波，因此一列波应该同时到达两个探测器。
然而，事实上，实验结果是同一时间两个探测器中只有一个启动起来，也就是当光子是粒子而不是波时，我们所应该看到的情况。尽管这个实验几乎与前一个实验一模一样，但是相纸上的结果很明确是粒子效应。
与在实验2中的情况一样，在实验4中，我们也可以在探测器上安装开关，这样仅仅通过打开或关闭探测器就可以在波效应和粒子效应之间随心转换。让我们花点时间思考一下这看起来有多奇怪。在实验3中，似乎只有光子真的是波时，我们才能得到那些实验结果。而在实验4中，似乎只有光子真的是粒子时，我们才能得到相应结果。
上面提到的只是上千个实验中的四个实验及其结果，不过这四个实验结果已经足够体现量子事实的某些奇特之处。在结束这一节之前，让我再简要讨论两点。
首先，要预测有关量子实体的实验结果，下面是一个粗略指南。如果实验中有对量子实体的探测或测量，那么被探测到的似乎是粒子，也就是说，量子实体在被探测的时候似乎是粒子。但是在没有探测或测量时，量子实体的行为模式似乎表明它们是波。因此，作为预测实验结果的粗略指南，我们关心的是对量子实体的第一次测量或探测发生在什么时候。在实验1中，第一次测量的设备是相纸。在用相纸进行测量之前，请把量子实体的行为模式当成像波一样。由于在双缝之后才有探测，因此似乎存在波的干涉，而我们所应预计看到的就是一个典型波效应的干涉模式。另一方面，在实验2中，对量子实体的第一次测量发生在探测器处，还没有机会发生波的干涉。对另外两个实验，情况也是如此。
请注意不要误解我在前一段所表达的观点。我并不是说量子实体在被探测时就真的是粒子，而在没有被探测时就真的是波。相反，对于到底发生了什么，我持不可知论主义态度，而只是提供了一个预测此类实验结果的粗略指南。当量子实体被探测时，把它们当作粒子，当没有被探测时，则把它们当作波，这样对上面提到的实验，就有了一种方法来预测实验结果。
涉及量子实体时，测量或探测似乎扮演了一个有趣的角色。举个例子，前面实验中的电子和光子探测器是检测电子或光子是否存在的测量设备。这些测量设备似乎会影响实验现象，也就是影响我们将看到波效应还是粒子效应。而这十分令人困惑。电子、光子或其他量子实体如何“知道”附近有探测器或其他测量设备？基于这一点，什么才真的能算是对量子实体的测量？这些都是很难回答的问题，构成了人们通常所说的“测量问题”。稍后，在本章中，我们将回过头来探讨这个问题，但是现在我只想让你了解一下这些关于测量的命题，以及测量在量子理论中所扮演的有趣角色。
