“物理定律不能单靠“思维”来获得，还应致力于观察和实验。”——普朗克

在我们日常生活中，事物总是以它们既定的方式发生，不管我们看不看，所有的一切都不会发生任何变化。看见你桌子上的水杯了吗？不管我们看不看它，它一直在那，永远不会消失也永远属于你！这就是我们这个宏观世界的现实性和确定性。

当然，如果是上级或者自己暗恋的人在看你，你可能会感到不自在或者心跳加速，观察改变了你的状态，这可不属于量子力学的范畴，这是你自己个人的原因。但量子世界与我们这个宏观世界截然不同，量子世界的粒子都处在波函数的叠加态中，充满了不确定性，当我们观察粒子的时候，粒子就会表现出确定性的单量子态，这是怎么回事？什么是量子“观测”？是观察者的出现改变了一切？让我们从这两个经典、古怪的量子实验说起。

是波还是粒子

首先是杨氏双缝干涉实验。很长一段时间以来，由牛顿主导的“粒子说”一直统治着人们对光的认识，这里说的“粒子”和我们现在说的粒子不同，牛顿说的“粒子”是真真切切的实物粒子，就像石子或者沙子，任何你能想到的微小颗粒！

微小实物粒子的行为与波浪（如水波）不同。如果我们抓起一把石子向一个有双狭缝的屏幕扔过去，显而易见大多数的石子都会被屏幕挡住。但是在裂缝的位置，会有那么几颗石子有幸穿过去。结果就是通过狭缝我们会得到两堆石子，一堆来自左边的狭缝，另外一堆来自右边的狭缝！

这就是实物粒子的行为，不管你扔多少次，也不管你扔的时候有没有观察这些石子，都会得到这样的结果：每个狭缝后面各一堆石子。

那么现在我们把石子换成波，最常见的就是水波，也很容易制造。找一个水箱，在一端放置一个波浪发生器，中间也放一个有双狭缝的挡板，这样水波就只能通过两个狭缝向外传播，也相当于创造了两个波源。

而我们会在双缝挡板后面的屏幕上得到一个干涉图样，有波峰（高点）和波谷（低点），以及介于两者之间的暗带。这是一种波的干涉现象，波峰和波谷会互相叠加，也会互相抵消。以上就是波和粒子通过双缝后不同的表现形式，也是确定一个物质（光）是波还是粒子的手段。

在1799年至1801年间，托马斯·杨进行了一系列实验就是为了验证光的性质，也就是著名的杨氏双缝干涉，让光通过两条狭缝，我们就能确定光的行为是像粒子还是像波。这是我们在大学物理入门实验室里做的第一个标准实验，光通过狭缝我们会看到下图中的模式：

上图可以看到，光通过狭缝后发生了干涉现象。托马斯·杨的实验也就一举奠定了光的波动说。从此人们就认为光是一种波。但是到了20世纪初，光电效应的发现，爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上将光量化为光子，只有这样才能解释光电效应，这似乎又表明光是一个粒子，而不是波，但光也会形成波状的干涉图样，所以事情就变得越来越奇怪了。

粒子的电子变现出了波的性质

在20世纪20年代，物理学家们做了同样的实验，但是这次用的是电子而不是光子。那么实验的结果会发生什么？

科学家在双缝处发射一束电子（从经历β衰变的放射源中获得电子）并在双缝挡板的后面放一个屏幕时，我们会看到什么样的模式？像粒子？像波？

一直被人们认为是粒子的电子，表现出了波的性质，在屏幕上产生了类似于波的干涉图样！这个发现有点太让人匪夷所思了，所以科学家一开始也在想是哪里出了问题，一次性发射一束电子流会不会是电子和电子之间有干扰？所以科学家就一次发送一个电子，看看屏幕上会出现了什么？下图就是不断地发射单个电子后在屏幕上形成地图案。

(a) 11、(b) 200、(c) 6000、(d) 40000和(e) 140,000个电子之后，电子通过双狭缝的图案。

不知什么原因，当每个电子通过狭缝时，它们都会与自己发生干涉！不仅是物理学家，我们这时也能想到一个问题：电子究竟是怎样和自己发生干涉地？如果电子是粒子，它们应该像石子或者子弹一样，要么通过一个狭缝，要么通过另一个狭缝。

观测导致了电子表现出了单量子态？

那么每次发射一个电子，它会通过哪个狭缝呢？科学家设置了一个“门”(用光子照射穿过狭缝的电子）来观察每一个电子穿过的狭缝地情况，并且很肯定地发现，电子总是通过一个狭缝或另一个狭缝。当科学家再次观察屏幕上出现的图案时，电子却表现出了粒子的模式，而不是波模式。换句话说，电子似乎知道我们在观察它！

上图可以看到单个电子在没有被观察的时候，表现出来波的性质，会同时穿过两个狭缝，并与自己发生干涉；当我们观察电子的时候，电子会表现出粒子的行为，会穿过两个狭缝中的一个，在屏幕上形成两堆电子！

正如物理学家有时所描述的那样，观察的行为会改变结果。这听起来真的很奇怪，但实际上几乎所有的量子系统都是这样建立起来的：事物发展的所有可能结果都处在波状叠加态中，直到你做出关键的“观察”，这会迫使系统给出一个真正的答案。这就是量子世界！

量子纠缠中的叠加态

许多粒子都可以创建一个纠缠态，在一个纠缠态的整体系统中自旋为0，例如,±½电子,±1光子等等，在进行测量之前，纠缠态中的每一个粒子都是正态和负态的叠加态。但是，一旦我们“观察”其中一个粒子的属性，我们就会立即知道另一个粒子的相应属性。如果你观察到一个电子得自旋为+½，那么另外一个肯定是-½。

量子纠缠的现象确实很奇怪，因为就像通过狭缝的电子一样，粒子在叠加状态时的行为与被迫处于确定状态时的行为不同。从理论上讲，两个纠缠在一起的粒子，即使另一个在一光年之外，通过“观察”第一个粒子，确定它的自旋状态，我们就能立即知道另一个粒子的自旋状态；并不需要等一年的光传输信号。

量子纠缠似乎违反在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。也似乎违反了现实的局域性。

这就是爱因斯坦所说的鬼魅般的超距作用，但事实确实是如此。跟爱因斯坦一样，当时很多人对量子纠缠感到困惑，而解决这个问题的方法就是贝尔提出，这也是为什么被称为贝尔定理，我们称之为非局域性现象。

观察两个粒子然后分开（a）。将两个粒子纠缠然后分开，每个粒子都处在都处在量子叠加态（b）。然而，观察（c）中的一个粒子，就可以让你瞬间知道另一个的状态！

虽然贝尔定理否定了现在的局域性，但是公平的说，这并没有打破信息传递的光速极限问题。当你测量你的粒子时，离你一光年远的人不会注意到他们的粒子有任何奇怪的地方；只有当你把你的粒子和一光年远的粒子放在一起时，或者从一光年远的地方得到信息，两者都受到光速的限制，你才能观察到两个粒子的状态。

那么什么是量子观察？是我们的观察决定了量子态吗？

与上文中说的正好相反，你是否认为正是因为我们的观察让电子表现出了粒子的状态，让纠缠的粒子表现除了确定的量子态，其实这一切与你无关，与观察者无关。

关于测量和观察的讨论，这其中隐藏了一个真实的真相：为了进行这些观察，我们需要让一个量子粒子与我们试图观察的粒子发生相互作用。如果我们想要进行对量子粒子的特殊测量，我们就需要这种相互作用发生在一定的能量阈值之上！

量子的状态与你或“观察行为”无关；相反，量子的状态与你是否有足够的能量进行相互作用的“观察”有关。换句话说，就是“观察”时会将粒子限制在一个或另一个特定的量子状态中！

对于一个“观察”穿过狭缝的电子来说，这意味着强迫电子与光子发生相互作用，而光子可以很好地约束电子的位置，从而让电子确定地穿过一个狭缝。对自旋+1或-1的光子来说，光子的偏振对测量十分敏感，“观测”会对光子的电磁场类型产生敏感的相互作用。

所以综上所述：观测是一种量子相互作用，它足以决定一个系统的量子态，也属于一种量子行为！