所以实际上只要不把光源发射的光看成局域的粒子，而把它看成只不过是一个特定频率和功率的光脉冲，所有的问题都可以迎刃而解。这样的自然

3.3.3 关于光的双缝干涉现象和量子纠缠和量子关联的讨论
3.3.3 关于光的双缝干涉现象和量子纠缠和量子关联的讨论
关于光的双缝干涉现象的实验以及由此引起的对于实验的误读是物理学的历史发展过程中最有代表性的一件事，它影响了物理学的几百年的发展。当然人们的认识总是受到时代的限制，在历史发展中所产生的一些看法，在当时的历史条件下都有它合理的一面，但是随着人类实践和思维能力的发展，最终应该回归到大自然的客观的物理实在性的怀抱中来，回到理性和逻辑的轨道上来。关于这个问题我在两年前给国内的主要学术杂志投过一篇稿。虽然一直没有发表，但是我觉得可以把这篇稿子直接作为这一节的内容，这里只是去掉了作为一篇独立文章的前言后语.
1. 光的双缝干涉实验与量子场论
量子场论一般又叫相对论量子理论，它与广义相对论一样是现代物理理论塔尖上的两颗“明珠”，但是它们的确实的实验支撑都只是一个非常直观的光学实验。但是从那两个光学实验到理论之间都有一段需要解释的过程才能联系在一起。当然，在没有找到直观的逻辑自洽的解释以前，我们不反对那些带有假想性质的解释以及由此而进行的进一步的推理，但是科学不能永远满足于猜想性的没有自洽逻辑的理论解释，而应该寻找直观而逻辑自洽的解释。在科学上，物理实在的真实性永远是第一位的，不管多么优美的理论，最终都必须让位于物理真实的理论。
支撑量子关联的物理实验，真正能够说得清楚的能够为常人所理解的实际上也只有一个，那就是光的双缝干涉实验。先让我们看一看一本非常有名的书上抄来的双缝实验中的光的干涉图样，以及作者对此所作的解释：
图1. 双缝实验中的光干涉示意图
“实验室的实验证明，物质可以观察到的最小组成部分不仅具有波粒二象性，而且还有‘非局域性’——即以一种超越所有可能的时空界限的方式相互联结。当本世纪初扬氏的经典双缝实验第一次进行时(任何物理专业的学生现在都能重复这种实验)，人们就已经知道了这一点。一束光由一个非常弱的光源产生，因而能使每一个光子一个一个地发射(在今天做这种实验时、可用激光来完成)。单个发射的光子可以穿过屏幕上的一条狭缝、然后把另一个屏幕置于第一个屏幕的后面，以纪录通过狭缝的光子。那么，像水流过小洞那样，有光子构成的光束就成了扇形的并形成一个衍射图样。这个图样显示了光的波动面。这本身没有什么矛盾。但是在屏上开出第二条缝时，矛盾就出现了。这时，尽管每一个光子都是单个发射的，而且大概一个只能通过其中一条缝，但是还是出现了衍射图像的叠加。而且狭缝后面的波还形成了干涉图样……但是光子何以能够相互干涉呢？尽管它们是作为单个的能量粒子发射的，他们也能穿过两个洞吗[1]？”
这是一个确确实实的实验，作者又把它扩大到遥远星系上几十亿光年前发出的光，也同样得到了由于量子关联而得到的干涉现象。还有把爱因斯坦的“两个有量子关联的遥远的粒子可以在瞬间传递信息”，这个本来是用来反对量子理论的思维实验，也成了真实的物理现实，实验还“证明”了两只“薛定谔猫”也存在同样的量子关联，并可超光速传递信息。此外还有更大量的“实验”证明了量子关联的存在，当然除了光的双缝干涉实验外，其它的所有实验都不能演示给普通人来看的，都是必须以思维的形式来看，即只有那些承认并理解了这一理论的人才能够看得懂的实验。就像霍金在1999年12月31日发表在“时代杂志”上的“相对论简史”中所说的“相对论现已完全被科学界所接受，它的预言已为无数应用所证明。……E=mc2，此公式也许是唯一为普通市民所知晓的物理公式”。这看来好像是一个不可改变的事实，不承认他们理论的就一定是只能知晓E=mc2这样公式的普通市民，也就是说如果你连那个公式也不承认，就连普通市民的资格也没有了。因为那个“时代”是属于他们的！
但是我们相信还有比那些优美、高明的理论更重要、更有力量的，那就是真实。这就是爱因斯坦一生始终不渝追求的目标：尽一切努力去建立与感性材料的正确关系，虽然在他的时代还无法做到，他不得不依靠一些假想性的方法去开辟前进的道路，在这种时候他总是首先关心那些理论是不是真货色，特别是到晚年，他明确表示他所创立的理论只是暂时的理论，因为终其一生的努力，他明白他没有找到一条通向逻辑自洽的道路，他期待与后人的是建立能够代替相对论的新理论。20世纪特别是20世纪晚期，电磁场理论的发展特别是计算电磁学的发展，使得以前无法理解的那些理论问题都有了可以进行数值计算的可能，虽然可能还不完全精确，但是与相对论时代的理解那是根本无法与之相比了！20世纪初所留下的那些对于光的各种不合理的认识，和由此产生的错误理论，就有可能在现代电磁场理论和电磁波的数值计算基础上得到解决。现在，电磁波通过单缝(或小孔)的衍射可以进行精确的数值计算，双峰的干涉也可以进行数值计算。在那里根本不存在任何神秘的、现在所有的物质和时空关系无法解释的量子关联！
2.光双缝干涉实验的现代电磁场理论解释
在上面所引的书中，虽然出自国际权威的科学家，但是毕竟不是电磁场或光学方面的专家，所以他所说的这个实验现在也可以用激光来做，就产生了一个问题：这个激光束是否覆盖两个狭缝，如果覆盖了两个狭缝，实际上与微波束没有任何差别，这样的问题现在是一般的微波工程师或博士生都可以用商用软件计算出来的电磁波的传播问题，并可以很自然地得到不管单缝衍射还是双缝干涉的图样。根本谈不上任何量子关联，如果激光束足够细，不能覆盖两个缝。光子是不可能同时在两个缝内出现，所以只能得到单缝的衍射图样，也没有量子关联。所以给物理学家造成麻烦的不是相干波，而是非相干波。也就是说当光源为一个基本上是单色的很暗的光，20世纪的物理学家给出的就是如图所示的状况，他们把光波画成一个一个的圆圈，而认为这个一个一个圆圈内的光波是由一个一个与球类似的局域的，即有一定形状和大小的“光子”所组成。因此就产生了上面所说的问题：通过两个狭缝的只能是从一盏暗暗的灯所发出的不同的两个光子，或者说是两束像水一样的细流，这两束细流中的光子之间一定是存在着某种人类还没有认识到的某种关联，使它们之间产生了干涉，否则两盏灯所产生的光为什么一般并不会产生干涉呢？所以他们认为同一个光源所产生的光子之间能够形成关联，用某种方法把它们从空间分离后，这种关联还能一直保持着。但是以后一些物理学家还能使不是同一光源上所产生的光也发生那种神秘的关联，当然这种关联是不可能直观地用人所共知的逻辑或数学的形式表示出来的。
任何借助于神秘的符号或理论来解释的现象，一般说来都不会是真实的物理现象。从物理学的角度，波通过单狭缝引起的衍射，应该从波通过单狭缝的波运动规律去寻找答案，现代电磁场理论确实已经完全找到了这个答案。那么光波通过双狭缝所产生的干涉也自然应该从光波通过双狭缝时的运动规律去寻找答案，那能依靠神秘的、人们现有的物质和时空观所不能理解的那种关联去解释呢？当然从一些假定出发去寻找答案是科学发展中常有的事，但是现在已经不是这样的问题，而是在像电磁场理论那样一些技术科学发展以后，完全可以找到答案的现象被一些名人的几句话所障碍住了。这一障碍就是“光子”，实际上没有任何确实的实验证明存在非局域的光子，爱因斯坦本人也只是认为大多数光学现象中用光是连续的空间函数来解释是合适的，而在光与电子相互作用过程中，把光看作一份一份地产生或被吸收更能得到合理的解释。一份一份产生的光为什么就一定是不能再改变的局域的粒子呢？有任何物理实验来证明这一点吗？没有。相反可以找到有力的实验证据来证明这种原子光谱所发射的光也是可以变化的，可以变大、变小、频率变快、变慢。多普勒效应就充分地证明了这一点。所以实际上只要不把光源发射的光看成局域的粒子，而把它看成只不过是一个特定频率和功率的光脉冲，所有的问题都可以迎刃而解。这样的自然光源中所发的光，与可以从麦克斯韦方程组相联系的电磁波不是一回事。它是由无数个满足麦克斯韦方程组的极小的脉冲波包所组成，而那些波包之间有完全不同的随机的相位，由于满足麦克斯韦方程组的电磁波在自由空间中是不存在规则的球面波或平面波的，所以这些脉冲的传播方向严格说来也是并不相同的，只是不论多么暗的广，都是由无数个那样的极短的光频的电磁脉冲所组成，个个发射方向的波包，在统计过程中，与发射面不相垂直的水平分量都被抵消掉了。所谓光的球面分布的传播已经完全与麦克斯韦方程组的传播形式没有关系了。它只是脉冲群的能量分布。一般的波形图应该是指波的等相位图，所以非相干波实际上没有波动意义上波形图，所有球形分布的图只表示其能量分布。每一个光脉冲是小的相干波，应该可以有等相位的波形图，但是到现在为止这种原子发光的“单个波包”，我们还所知甚少。不论用实验还是理论都无法描述出它的形状。为了方便起见我们以后凡是在量子场论中出现“光子”的地方，我们一律改称为“光波包”，以表示它们之间的物理特性的区别：光子是一个局域分布的粒子，而光波包只是一个由原子的电子的能级跃迁所发射的特殊的光脉冲。光波包的相位是随机分布的，所以不仅两个这样光源的光波包之间不会产生干涉，一个光源的两个波包之间同样不会产生干涉。
现在我们唯一还不清楚的就是光波包的空间分布，我们只知道它有确定的频率和能量。但是我们可以合理地假定它的截面要比狭缝的宽度大得多，又比两个缝之间的距离小得多。这些假设物理上没有不合理的地方，与光子论的唯一区别只是不是把光子看成不变的局域分布的粒子，实际上这样的光子论，会使所有的光学现象都得不到合理的解释。现在的问题就在于狭缝的物理特性，既然光波包比狭缝宽得多，所以对于狭缝来说可以把波包横截面宽度看作远远大于狭缝的宽度，这就成了一个电磁场理论中的入射行波通过狭缝的传输问题，所谓光学中的狭缝衍射在电磁场理论中是可以进行数值计算的，出来的也不再是某些物理学家想象中的球面波或柱面波，而是一个特定方向传播的赋形波束。这个特定的传播方向一般垂直于狭缝出口所在的面，偏离传播方向角度越大衰减得越快，它的等相位面也不是严格的柱面或球面，能量分布面更不是柱面了。在微波技术中这个问题近似于微波网络中的散射问题。一个入射波经过狭缝后一部分成了反射波，在狭缝输入端口被反射，另一部分成了狭缝输出端口的透射波，在一般情况下，透射波的相位与入射波相位和作为微波网络的狭缝几何形状有关，但是在狭缝宽度远小于光束截面的情况下，而且狭缝有一定的厚度，透射波的相位就与入射波的相位近似地没有关系了。它的物理原理也很简单，在极端情况下，反射波与入射波大小相同，方向相反，狭缝端口周围的理想导体上提供了一个全反射边界条件，所以相位固定在零相位上。当狭缝有一定宽度时，出现了透射波，如果狭缝比能传输的波长小，狭缝就成了截止波导，狭缝内传播的不是行波而是衰减波，它的相位也就与入射波的相位没有关系，而唯一地取决于狭缝的特性。狭缝所具有的这种物理特性使相位随机的行波在输出端口上的透射波也有一个近似与入射波相位无关的、仅与缝的几何关系联系的确定的相位。对于双狭缝来说，两入射波是具有不同随机相位的波，经过狭缝后就有了确定的相位关系，而且只要是从这两个狭缝通过的所有光波包也都有了与入射波相位无关的同样确定的相位关系，因而从这两个狭缝出来的波就有了相干性，在某个合适位置的幕上就可以得到干涉条纹。这在物理上本来是一件非常清楚的事，这与两个不同源发出的相同频率的激光，分别通过其中的一个狭缝后会形成干涉条纹也是一个道理——原来具有随机相位的光波包通过狭缝之后，成了与激光束近似的具有相干性的光束。这个相干的物理原理已经被成功地应用到激光全息照相上，激光全息的膜片可以用自然光的白光来获得全息照片，也是由于通过狭缝后，所有随机相位的光波包通过狭缝后都有了共同的由膜片的干涉条纹所决定的相位。因而显示激光照片不需要用激光，而拍摄激光全息的膜片必须用激光，而不能用白光。
3. 小结和讨论
不用说像物理学那样应该是很严谨的科学，就是从人们的常识来说，是什么因素造成了某种特殊的现象，就应该从这个因素上去寻找产生那种现象的物理原因。光的双狭缝干涉唯一的物理因素就是狭缝，不从狭缝上找原因应该从哪里去找原因呢？20世纪前期的物理学家们由于历史的原因，他们的时代对于电磁场，特别是光学主要还只有一些几何光学的理解，对于电磁场理论知之甚少。所以他们对电磁场不能找出造成光的双狭缝干涉的正确的原因，作一些猜想也是可以理解的。但是物理学不能总是跟着近百年前的人的那些猜想、定理走下去。现在的量子信息理论中，尽管作了很多看起来很神秘的实验，就其实质来说都离不开光双缝干涉中那样的问题，所有的实验在如何产生纠缠(或关联)、如何把纠缠的粒子分离，或如何使两个远距离的粒子再产生纠缠(或关联)，所陈述的都只是一些他们听得懂的、为他们内部所认可的语言，而实际上所有的实验中都会出现某种导体的膜或特殊的器件起着与双狭缝同样的作用。
现代物理学家已经对于从远离“几百亿”光年的大爆炸时期产生的光子，进行了光的“量子关联的实验”，不论来自哪里的光子，只要通过一个半透明的镜面，分成两股，使它们再经过两个不同的光路最后射到同一个计数器，只要光路长度与光的波长调节到一定关系，就可以得到干涉现象。对于两路能够叠加的频率，就能在计数器上听到并记下“光子”数。这是一些同样简单的波动现象，随机相位的自然光只要一通过反射镜或透射镜，它们的相位就与那些镜面的空间位置相联系，所以原来没有能量叠加效应的波包，产生了能量的叠加效应。还有些科学家成功地做出了“薛定鄂猫的实验”，还可以显示三个到五个“薛定鄂猫”，都刊登在世界加权因子最高的科学杂志上，这些是什么呢？就是在光波波段上的谐振腔上的多模式谐振的显示。在微波波段上已经是一个常识：人们可以用一个对于温度灵敏的纸在微波加热腔中显示多模式的谐振状况，以研究加热的均匀性，这些和什么量子现象和什么薛定鄂猫有联系吗？
其实何止量子关联，20世纪以来，由于电磁波的出现，人们对它们的特性不了解，科学家对电磁场产生了大量的定理、现象、假设等等，如坡印廷矢量、波速(特别是群速)、光子、衍射、绕射，还有各种名字命名的散射和辐射，而真实的物理过程反而被隐藏起来了。这些就是爱因斯坦所说的物理学家为了把麦克斯韦理论纳入牛顿框架所作的努力，没有成功，所引起的混乱。其实对于电磁波(光)的问题，需要搞清楚的只是电磁波方程组的本征特性、散射特性和电磁波与周围物质(带电粒子或介质)的相互作用特性，或者用一句更简单的话，就是搞清楚麦克斯韦方程组的解析理论、求解方法并正确地进行求解。在光学理论中由于光的波长很短，而且主要都是非相干波的问题，求解起来确实比较困难，这就成了相对论和量子场论那样既没有物理实在作基础，又没有自洽数理逻辑、甚至没有确定的数学表达方式的理论，寻找所谓的“实验基础”的最好的场所。在新世纪里，应该是科学回到像牛顿和麦克斯韦那样以实验观察结果为基础的那种科学逻辑上来的时候了。这里，逻辑自洽的实实在在的科学的语言比用那式深奥而神秘的理论要有用得多