延遲實驗,你看見的世界真實的世界?

2020-12-04 百家號

人生若只如初見,何事秋風悲畫扇。

當然,今天不是一碗雞湯,先來看一個有名的實驗。

1803年,英國物理學家託馬斯楊在英國皇家學會發表他的研究:把光束射向一張紙卡上劃出的兩道狹縫,穿過狹縫的光線會在屏幕上形成明暗相間的條紋圖案;就像在池塘丟下兩顆小石子,在水面激起的漣漪向外擴散,彼此交會所形成的幹涉現象。如果如牛頓所說的光是由粒子組成,那麼穿過狹縫的粒子落在屏幕上的位置應該以兩道狹縫之間最多,然後往兩旁遞減;不可能忽多忽少而形成明暗相間的條紋。因此,當時的人們意識到,光一定是一種波,兩道光波的波峰與波谷彼此迭加或抵消,才造成斑馬線圖案。

過了100年,到1909年,英國物理學家 Geoffrey I. Taylor 重作楊氏的雙狹縫實驗,不過這次他將光源的強度減弱到最多只能發射一個光子,結果長時間累積下來,仍然形成一模一樣的幹涉圖案。幹涉是兩個波的交互作用,一次只有一個光子通過狹縫,它能跟誰幹涉呢?

1974 年,幾位義大利物理學家做到一次只發射一顆電子,還是出現幹涉圖案。而且,當我們在這過程中觀測雙狹縫,看看電子到底是通過左邊或右邊的狹縫,幹涉現象就不見了,電子選擇兩個狹縫中的一個徑直穿過。

也就是說,一個電子,同時出現經過兩個狹縫!而且,當我們去觀察它到底是如何同時穿過兩個狹縫時,這個電子又神奇的兩者擇一的穿過了其中一個!

事情還沒完,1979年物理學家惠勒(John A. Wheeler),曾與波爾和愛因斯坦共同研究理論物理)提出的「延遲選擇思想實驗」(Delayed Choice Experiment),並且被不斷驗證。實驗過程如下圖:

雷射脈衝源從左下角發出光子,到達半鍍銀的

反射鏡

B1(作用是使光子有一半可能穿過了反射鏡BS1到達全反射鏡M2,一半可能被反射鏡BS1反射到達全反射鏡M1),兩個全反射鏡M1和M2把這兩部分的光子又交匯在一起。在終點D1、D2觀察光子飛來的方向,我們就可以確定光子究竟是沿著哪一條路徑飛來的。

如果在終點處也插入一塊半鍍銀的反射鏡B2,通過調整BS1-M1-B2和BS1-M2-B2兩個路徑的光子的相位,可以使這兩部分光子到達BS2時發生反相干涉,從而使光子在水平方向D1或者在豎直方向D2上「互相抵消」,最後只在豎直方向D2或者水平D1方向上輸出。

讓你感到不可思議的是,即使雷射脈衝源每次只發出一個光子,經過足夠長的時間,你還是可以看到同樣的幹涉結果:這說明一個光子每次到達B2時和自己發生了幹涉——按照量子力學的說法就是一個光子同時通過BS1-M1-B2和BS1-M2-B2兩條路逕到達B2後和自己發生幹涉。

但是,如果在終點處不放置半鍍銀的反射鏡BS2,雷射脈衝源每次只發出一個光子,則通過在終點觀察光子飛來的方向,我們每次卻只能看到光子從一個路徑飛來,或者沿水平方向,或者沿豎直方向。這說明,如果我們不在終點處放置半鍍銀的反射鏡BS2,光子就沿著某一條路徑而來,反之,它就同時經過兩條路徑而來。也就是說,我們的選擇決定了光子的「選擇」。

到此為止,其實這個實驗跟前面提到的1974年義大利物理學家做的單電子幹涉實驗本質上是一致的。

下面,是見證奇蹟的時刻。

我們在光子已經通過了第一塊半鍍銀的反射鏡BS1,快到達終點(還沒到達)的時候,才把半鍍銀的反射鏡BS2放入終點處,結果會怎麼樣呢?

按正常邏輯,我們會認為光子通過了第一塊半鍍銀的反射鏡BS1後已經選擇了怎麼走,按前面的結果就是光子只沿著某一條路徑而來,應該不會再發生幹涉現象。

然而,然鵝,結果再次讓你感到驚訝:光子還是選擇了同時經過兩條路徑而來!

這說明了什麼呢?

這說明了:我們現在的選擇(觀測行為)改變了光子過去的「選擇」。

也就是說,我們可以在事情已經發生之後再來決定它應該怎麼發生——無論是否事情的結果在邏輯上已經在一段時間以前被決定!

1979年,在紀念愛因斯坦100周年誕辰學術研討會上,提出這個實驗的惠勒(John A. Wheeler)說:「我們此時此刻作出的決定,對於我們有足夠理由說,它對已經發生了的事件產生了不可逃避的影響」,「並沒有一個過去預先存在著,除非它被現在所記錄」。

人生若只如初見,何事秋風悲畫扇。我們看見了開頭,也猜對了結尾,但確不知道它是如何發生。

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