本文试图以更为通俗易懂的方式，重新解释双缝试验中隐藏的原理和机制，并展示一种新的观点。以此可以更好地解释已存在的各种现象，一定程度上调和量子理论与相对论之间的分歧，并谨慎预测可能的应用方向。
关键词：量子力学 相对论 EPR悖论 波粒二象性 概率诠释 不确定原理
引言：
费曼先生曾说过：“双缝试验包含着量子机制的全部秘密。”为堪破其中秘密，各种各样的试验版本已被实施。（1）原版；（2）单个粒子版；（3）“哪条路”版；（4）延迟选择版；（5）量子擦除版；（6）弱测量版；（7）其他版本。目前几乎所有试验都表现出无理性、不可预测性、非客观性、反常识性等怪异现象。为解释这些现象，各种各样的诠释一度盛行，或流传至今。
1、对概念的重新定义
为更好表述本文观点，对以下概念重新定义：
1）观测：对物体、行为或现象的观测，是观测系统从被观测系统中获取信息的过程。被观测者与观测系统产生任何信息交互，使得观测系统得到关于被观测者的更多信息，即视为发生观测，而不仅是被测量仪器测量。例如被引力吸引，被手触碰，被光子探测，被束缚在原子核内等方式。
2）确定性：物体、行为或现象的确定性，与观测系统从被观测系统得到的信息量有关。得到信息越多则确定性越高，从而被观测者在观测系统中的表现越像粒子，反之则像波。由于人类生活在宏观世界，习惯用宏观可见的概念去理解新现象。粒子或波，都来自日常生活。粒子，例如球。波浪，例如水。用这两个概念去理解更基本的现象，肯定会带来疑惑。确定性，这是比波粒二象性更基本，也更容易理解的描述。
3）存在性：物体、行为或现象是否存在，应相对而论。人类往往认为自身所处的宏观世界是最客观的存在，而此世界的各部分已被各种可见或不可见力的作用，或者说信息交互关联在一起，各部分间确实相对存在。任何与其没有或只有很少信息交互的系统，其存在性都会受到质疑。但存在性是相对的，如果A与B没有信息交互，无法被观测到，可以说A相对于B不存在，但无法说明A不存在。
4）客观性：物体、行为或现象是否客观真实，应相对而论。同上，我们习惯于把这个日常可见的已被各种力的作用联系在一起的世界作为客体，去衡量其他事物的客观性。但有时我们可以转换角度，站在被衡量事物的角度，去考量相对的客观性。
2、对双缝试验的重新解释
1）原版：已经被很好的解释，不再赘述。
2）单粒子版[1]：此类试验通用特点为，即使单粒子发射通过双缝时，也表现出波的特性，看起来像同时通过双缝，但当其最终接触屏幕后，只是一个光点，回归粒子特性。通常的解释为波粒二象性，但其实这只是表面现象。
同前文定义所述，一个系统如果只暴露给另一系统少量有限的信息，那么前者在后者中表现出来的行为，是不确定的。信息越少，行为就越不确定，表现越像波，反之亦然。而狭缝后屏幕显示的干涉图样就像一种影子，它仅反映微观物体对外部系统显示的确定性。当微观粒子穿过两个狭缝时，此行为会导致路径信息丢失，同时由于微观物体的尺寸，外部系统很难重获此种信息。所以它只能以一种不确定的类似波的方式表现。当微观物体与屏幕相互作用时，丢失的路径信息回来了，所以它又表现的像粒子。
可将我们所处的世界比做一台作图电脑，有足够的运算能力。只要有足够的信息输入，即可提供确定的结果，绘制清晰的图案。如果仅有非常有限的信息数据输入，但仍迫使它完成绘图，显然输出将只是一个模糊的图案。这台电脑和我们所处世界的共同点是：它们不知道具体如何输出，但它们必需要输出，因此只能输出一个近似的不确定的结果。也就是说，他们都因为缺少信息而被欺骗了。
还有一点需注意，当重获路径信息时，大量单个粒子仍在屏幕上构成干涉图案，表明两条路径之间的干涉确实发生了，这意味着一旦观测系统接受了不确定性，它也接受其产生的后果。但不确定性导致两种后果，一种是路径分裂，另一种是分裂后的相互作用。当重获路径信息后，分裂的后果撤销，但分裂时相互作用的后果保留。
3）“哪条路”版[2]：此类试验通用特点为，粒子看起来由于波动性，像同时通过了两个狭缝，但又无法确定具体哪个。各种试验想在保留其波动性同时，探测其具体路径，但均未成功。而如果结合狭义相对论考虑，情况并非完全如此。
根据狭义相对论，物理定律在所有惯性参考系中是不变的。如果我们站在粒子的角度观测，波函数的表现形式也应不变，只不过是我们的世界表现像波。粒子如果也有视角，它会看到由于波动性使得两条缝隙各有一部分发生重合。粒子本身并未分裂，因为它拥有自身全部信息，具有100%确定性。它将从波动狭缝的重合部分中穿过。而之后当面对同样有波动性的屏幕时，通过撞击获得位置信息，使波动性消失，确定了与其唯一的撞击点。
这说明，如果一个系统由于缺乏信息，而在另一系统中表现出不确定性，则后者也将等效在前者中表现出不确定性。波函数描述的相对不确定性在任何惯性参考系中不变。不同观测系统间由于缺乏信息传递，对真相得出的结论可能不同。但不确定性始终真实存在。
4）延迟选择版[3]：惠勒的这个版本特点在于当插入第二玻片，两灯同时亮；不插入玻片，两灯交替亮。但插入第二玻片是在粒子选择哪条路径之后，看起来像延迟选择。
具体机理其实可被前文结论解释，本试验不管是否插入第二玻片，粒子都是看起来先同走两条光路，并在两面镜子处发生反射。区别在于插入第二玻片，两列波发生相互干涉，因此干涉效果保留。不插入玻片则无干涉，因此分裂效果撤销，路径归一。试验本身并无太大疑问。
试验插入玻片的行为，可由人实施。但如换成类似薛定谔猫思想实验中的量子触发系统，效果可达到等同。这使得我们会推测人类意识也以类似量子方式表现。采用不同的预先设置方法，可得到随机结果、确定结果或概率可预测结果。
5）量子擦除版[4]：此类试验通用特点为，标记路径信息，干涉条纹消失；擦除路径信息，干涉条纹重现。看起似乎量子在玩捉迷藏。
其本质是擦除导致路径信息丢失，进而确定性下降，因此表现像波。标记之后，得到路径信息，确定性提高，因此表现像粒子。路径信息，也可推广到其他种类信息。这些信息可被重复删除或标记。一旦删除，不确定性会出现。重新标记后，确定性会回来。
6）弱测量版[5]：此类试验通用特点为，只进行非常有限的观测，仅限于对干涉条纹产生轻微影响的程度，同时也可以几乎确定粒子路径信息。看起来使得粒子的行为和波的行为似乎可以同时显现。
其实原理同上，信息量影响确定性。这种情况下得到的波或粒子状态，都不是100%显现，而是处于他们之间的一种状态。波和粒其实都反映物体的确定性，是对同一概念不同程度的描述。确定性是在0%-100%之间的一个数值，不可能既是0%又是100%。在此试验中，没有绝对的波存在，也没有绝对的粒子存在。只有确定性一直存在。
所谓干涉图样其实只是类似树影，实际反映的是物体的确定性，表明观测系统从被观测系统获取信息量的多少。因此没必要执着于同时获得路径与干涉图样。确定性解释，比传统所述的波粒二象性更容易理解，更贴近逻辑思维的可接受范围，也符合目前试验结果。
7）其他版本[6]：其他版本还有很多，这里仅列举一个。是由Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, Y.H. Shih, and Marlon O. Scully共同于1999年实施的。此版本非常值得一提，包含了单粒子、“哪条路”、延迟、擦除等上述各种版本特点。最引人注意的是其结论：量子可以提前显示他的纠缠对的路径是否将被擦除。
对于此结论，其实通过狭义相对论可进一步解释。光子相对于我们是光速运动，在其前进方向上，我们世界中的路径长度均为0。站在光子角度来说，0长度，不需要花费时间，它是同时完成了试验中的整条路径。因为处于不同的观测系统，对我们来说先后发生的事情，对光子来说是同时的。所以光子看起来可以“提前”预知后续状态。
同样我们通常认为因果也是相对于我们光速传递的，根据上述情况推测因果本身也是瞬时成立的，只不过是以光速向我们展现。所以本试验说明物体、现象或系统，其状态的本征值只能由它自己100%精确观测到。任何其他观测系统，如与被观测系统有相对运动或信息的相对不确定性，则只能得到偏误的结论。一旦本征值建立，因果关系将被瞬时传递，但其影响仅以光速向其他观测者揭示。
3、其他相关现象解释
1）薛定谔的猫：此悖论本身容易解释，因为猫的状态信息其实已被外部世界获知，仅仅是箱子外的观测者不清楚，导致所谓波函数坍缩。所以相对观察者来说，状态不确定，但相对整个外界来说已经非叠加态。但如果延伸思考，我们放进衰变物质、计数器等一系列量子系统，和直接放进一只老虎，或者一个持刀的人，也是类似的效果，导致箱子外部的人无法明确得知猫状态。意识决策与量子决策具有相同的驱动机制，甚至可能是相同的东西。
同时说明宏观世界中也会出现叠加态，但前提是观察者无法从被观察系统中获取相关信息。叠加与不叠加也是相对的。假设A的信息已被B全部获知，但是A的信息未被C获知。则A相对B来说，状态就是确定的；但是A相对C来说，就是不确定的，处于叠加状态的。如果C范围扩大到整个我们所处的外部世界时，就会出现通常所述的量子叠加态。换话句话说，A瞒过了整个世界。
2）EPR悖论[7]：此悖论为两大高手巅峰论战，不好武断妄下结论评判输赢。但我们可以先看实际情况：
首先，关于此悖论，最主要的争议点在两方面，定域性与实在性。通过前例可看出，其实狭义相对论，已隐含非定域观念。相对光速运动带来的就是瞬时成立的因果关系。同样前例也可看出，物体的本征值，其实是实际存在的，但只能由自身100%准确观测到。虽然定域性不成立，但也不能算爱因斯坦输，因为我推测他的主要目的是强调实在性。他想创造一个悖论，也就是从波尔的理论中推出一个错误结果，与光速上限这个定域性“真理”相悖，从而证明波尔错误，可惜他选择了不恰当的“真理”作为比较对象。
然后，可以看一下此思想试验中实际发生了什么。当纠缠的两粒子被隔离并远距离分开后，他们一直作为一个系统，内部暗自演化，状态为实时相反。当对其中一个粒子实施观测时，二者的纠缠状态消失，与外界的隔离被打破，内部演化也随着终止。二者状态就同时固定在实施观测时的瞬间。当我们再对另一粒子实施观测时，必然发现两者状态相反。
通过上述过程看出，这里其实没有波函数坍缩，因为物体状态，已经是实际存在的。但仅当我们实施观测时，才可发现其所处状态，而这恰恰也是所谓的波函数坍缩时间。同样这里也没有超距作用，因为两纠缠粒子是通过内部演化，实现的状态实时相反，而不是通过超距作用。虽然超距作用没有在此例中体现，但是超距作用是确实可发生的。首先具有充分性，这就是相对光速导致的因果瞬时传递。然后是必要性，就是当隔离系统受到无信息传递的外部作用时，更容易先在内部演化状态，产生相互影响。只有当涉及信息传递的作用发生时，才会与外部产生相干性。如果我们实施操作，使其中一个粒子的状态发生变化，但又没有产生确定的信息传递，超距作用就会发生，只不过超距作用并未体现在EPR这个例子里。
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对双方的评判就是：定域性不成立，但是爱因斯坦也没输，因为他主要想证明的是实在性。实在性相对来说是确实存在的，只不过爱因斯坦选择了一个错误的“真理”去证明。波函数坍缩其实也只是表面的说法，但是波尔也没输。他选择把观测者所能得到的最近接真理的现象，作为真理本身，很难判断这是对还是错。但是他对于爱因斯坦理论中的弱点，把握的相当到位。因此综合评判，本次论战，1：1，两位大神平分秋色。具体过程详见视频。从中我们也可以得到推测结论，系统之间相互作用分为三类：
观测：导致信息从被观测系统暴露到观测系统中，增加被观测系统在观测系统中表现行为的确定性。附带作用之一是导致被观测系统与原系统退相干，并和观测系统产生纠缠。
删除：导致被观测系统在观测系统中的信息被消除，降低被观测系统在观测系统中表现行为的确定性。附带作用之一是导致被观测系统与观测系统退相干。
操作：只改变被观测系统的内部状态，但不导致其在观测系统中相关信息的增加或减少。附带作用之一是导致超距作用。
3）贝尔不等式[8]：此话题的核心就是非局域隐变量理论是否存在。其实如果真的需要，那么狭义相对论将是最佳候选理论之一。因为其内在隐含的非局域性，可以很好的解释超距作用。同时其物理定律相对不变性原理，也可以更好的解释量子的种种怪异现象。其实答案一直在爱因斯坦的口袋里，但估计当时是不想再助攻一次吧。
4）熵：上文多次提到了信息这个概念，其实在物理学里信息有个专属名词，熵。在当今科学领域，主要有热力学和信息学两方面应用。在热力学中，它以热力学第二定律的形式表现，第二定律也代表时间箭头方向。在信息学中，它还被表示为预期结果的不确定性，可通过获取相关信息来降低这种不确定性。其实二者之间是有联系的。
信息熵是一个物体或事件所拥有的全部熵的一部分。信息熵比例越大，物体或事件表现出的不确定性就越大。降低信息熵的方法是通过观测（或做功），获得所需信息，这个过程也符合热力学第二定律。我们对这个物体或事件了解得越多，它表现出的不确定性就越小。当信息熵的比例等于0时，意味着我们完全知道此物体或事件的所有信息。当信息熵比例等于1时，意味着我们对它一无所知。信息熵无法通过观测降为0，因为每当我们实施观测时，总会创造新的信息熵，这也是不确定原理的本质。
5）极值：正确、恰当地运用不确定原理，可以避免某些令人困惑的极值。就像不确定原理对热力学第三定律的解释一样，当接近绝对0度时，粒子就会在一定范围内剧烈震动。我们是否也可以设想黑洞的奇点会处于一个极微小的震动中，从而避免因无穷小体积导致无穷大密度。
6）暗能量：如果当我们认为一种事物无处不在，充斥整个宇宙时，其实可以认为它不在任何地方。如果当我们认为一种事物可以在空间中以超光速运动时，其实很可能就是空间本身所致。将上文反复出现的相对性思想，运用到此处，其实也会有个简单的答案。
我们目前所处星系的位置，真实曲率并非完全等于0，宇宙中广泛存在比我们所处位置曲率更小的空间。暗能量的本质，是存在于浩瀚星系间的相对负曲率。相对负曲率会使光线像穿过凹面透镜一样运动，并引起红移，机理与正曲率类似。由于其接近0的绝对值，常规距离内造成的红移效果很小。但作用在天文距离上时，效果会累积达到可观水平。
顺道一提暗物质，推测存在某种不与已知电磁力作用，但是与电磁力类似，可对抗引力收缩作用的新力。如果暗物质会思考，相对的他们会认为我们才是暗物质。因为我们也仅仅和他们的引力产生作用，但是不和他们的“电磁力”产生作用。
7）超光速运动：每当我们遇到超光速问题时，空间本身就是一个很好的候选因素。很多现象都可以从中得到解释，结果就是导致信息不相干，相对不存在。因篇幅限制，此项不展开讨论。
8）延伸试验：根据前文其他版本中所提试验，做了思想上的改编：我们可根据距离关系，设置不同的延伸版本。首先简化光路，使光子只能到达D1（或D2）触发干涉图样，并将他们与狭缝间的路径延长到足够距离，使得某人或机器人在D1（或D2）被击中前，可在路径上插入某种吸光板，以尝试破坏D0处干涉图案。
狭缝与D0的距离“D”、狭缝与插入点的距离“I”、插入时狭缝与光子的距离“P”，这三个参数均为可调。但无论如何，这些距离应比狭缝和Ma（或Mb）之间的距离短。这样将有6种不同的排列方式：用排在左侧表示较短的距离，将有DPI、PDI、PID、DIP、IDP和IPD。根据之前得出的各结论或者推测，通过简单的逐一分析可得出结果。
结果易得，不再赘述，仅给出推论的结论：未来是确定的。如果没有新的变化发生，未来是确定的。如果有新的变化，未来将瞬时改变，但仅以光速展现给我们。如果不仅只有一个变化，那么未来将按每一个变化从前到后共同作用的结果来表现。
9）未来：再结合之前其他结论，进一步可得未来就是基于过去已确定的结果，不断在当前决策，从而产生一个相对静止但持续变化的未来。
10）诺特定理[9]：关于未来到来的原因，可借鉴诺特定理部分成果并进行延伸。动量守恒对应空间平移对称，能量守恒对应时间平移对称。
先分析第一个对应关系：力的作用沿时间方向累积，形成初始动量。当力移除后，初始动量保持不变，但会继续在时间方向累积，形成空间平移。因为后续没有外力作用（惯性系），所以导致动量守恒，守恒的动量又导致空间平移，同时因为没有力的作用，无法判定是否移动，所以空间平移对称。
当推广力到广义力，推广方向到广义方向，推广初始动量到初始状态，可得到更广义的结论。再将该推广具体化到第二个对应关系中。可得：在广义空间方向累积广义力的作用，将形成广义能量。无论上述力是否继续作用，上述能量的作用都将继续在上述空间方向累积。这种累积会使曾受上述力作用的物体在时间方向上移动。因此能量是导致时间平移的原因。注意这里的广义力，可以代表全部四种基本力，或者力矩等推广概念。
11）最小作用量原理[10]：关于未来到来的途径，可借鉴最小作用量原理部分成果并进行延伸。就像最小作用量原理可以解释光的折射一样，选择起点与终点间最快的路径。
如果我们再进一步问，为什么要选择最快的路径？怎么在到达终点前知道终点在哪里呢？根据前文结论，终点在到达之前就已被确定，因为因果关系是瞬间传递。当时间被一定的能量驱动，以光速向我们揭示已确定的未来时，如可选择不同的路径，那么更短的路径意味着更快的完成时间。最短的路径最先被完成，从而最快显现，进而被确定。其他较长路径将不会显现。综上可得：物体或事件在时空的起点和终点是瞬时确定的，它们之间最快的路径将以光速向我们揭示。
12）概率：最后关键问题来了，量子的概率性，如何解释？结合前文结论可推出，如果是曲率为0的平直时空，起点与终点间直线最短，最短路径唯一，出现概率为100%。但当最短路径不唯一时（如球面的两极间），则各路径均有一定概率显现，对于获取信息不充分的外界表现为叠加态。所以概率的本质原因是曲率。这里的曲率为广义曲率。如双缝试验的双缝，可称为人工曲率。原子不同能级，可称为自然曲率。引力产生的曲率，可称为真实曲率，这是广泛存在于整个时空，无法被消除的。如果我们真需要找到关于概率的一个更基础原因，它应该从曲率中得出。从来没有绝对的0曲率可达到，所以量子事件总以概率显现。
4、相关应用方向
量子现象及其效果，已在量子计算机、量子通讯、量子隐形、量子人工智能等领域广泛应用，本文不再赘述。但是对于量子现象真实产生的原因，此前并无太满意的结论。本文也是基于以往试验，对于传统理论进行了更新解释，希望能对指导实践起到一定作用。
结语：
通过重复获取或删除系统间的信息来控制不确定性状态，通过反复建立或消除系统间的交互作用来控制相干状态。只要我们能做到，就让这些状态达到最疯狂和极端的程度。在它们消失之前，充分利用它们。让有价值的部分留存，让另一部分随风而逝。
这就是利用量子现象的最有效方式，也是宇宙法则赋予人类的至高无上权利。
最后，还是要感谢费曼，就像他所提醒的：“双缝试验包含着量子机制的全部秘密。”
是的，的确如此。
参考文献
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4. M.O. Scully and K. Dr¨uhl, Quantum eraser: A proposed photon correlation experiment concerning observation and "delayed choice" in quantum mechanics. Phys. Rev. A. 25, 2208 (1982).
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9. E. Noether, Invariante Variationsprobleme. Nachr. Gesell. Wiss. Gottingen, Math. Phys. Kl. p. 235 (1918).
10. P.L.M. de Maupertuis, Accord de différentes lois de la nature qui avaient jusqu'ici paru incompatibles (English translation: Accord between different laws of Nature that seemed incompatible). Mém. As. Sc. Paris p. 417 (1744).
论文作者:王超
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
标签：粒子论文; 系统论文; 信息论文; 量子论文; 路径论文; 曲率论文; 作用论文; 《科学与技术》2020年第1期论文;