結果改變過去——延遲選擇量子擦除實驗

2020-12-03 夸克星貓

事件發生之後現在還能被改變嗎?延遲選擇量子擦除實驗給了我們令人不安的啟示。

前面《顛覆認知與世界觀的量子力學實驗》中我們提到了單粒子雙縫實驗的詭異結果,其中隱含了關於現實本質的驚人事實。這個實驗說明物體在產生於探測的奇怪過渡間,可能並不是明確存在的,甚至不是真正的粒子。在某片模糊的區域中我們無從得知粒子的位置或路徑。哥本哈根詮釋告訴我們這片區域中,粒子只是其波函數。這個實驗最神秘的部分莫過於一個非常類似粒子的物體,卻好像是以一種波的形式同時穿過兩條縫。

物理學家們喜歡謎題,於是他們想去探測這些粒子在產生著名的幹涉條紋前穿過的到底是哪一條縫隙。

結果宇宙好像和我們槓上了。任何能明確區分粒子所穿越縫隙的實驗,都會使得幹涉條紋被破壞。這時,粒子只簡單地落在一團,每個縫隙一團,如同全程都是以普通粒子運動一樣。即便將探測器放在縫隙的後端也一樣。按理來說,這個時候粒子波明明已經與自己發生了幹涉,但波函數還是溯源坍縮。

試圖區分粒子穿過哪條縫的雙縫實驗叫「探測路徑」實驗,如果實在縫後(粒子穿過縫隙之後)檢測,則叫「延遲選擇」實驗。

如果說是因為在粒子和屏幕之間的檢測導致了波的相干性消失,進而使幹涉條紋消失,那麼物理學家們在保留波的相干性的前提下,又巧妙地使用新的方法去測量粒子穿過的是哪條縫。

1999年,一個著名的實驗使用了一種特殊的晶體,它能吸收一個射入的光子並產生兩個新光子,這兩個新光子處於量子糾纏態。也就是測量其中一個的狀態,就會知道另一個光子的狀態。在雙縫後放置這種晶體來使任何穿越過的光子產生相干的糾纏光子。每對光子中的一個射向屏幕用以產生幹涉條紋,另一個則用來研究原光子來自哪條縫。然而,在得到光子確切通過哪條縫時,屏幕上依然就只有簡單的一堆光子沒有幹涉條紋。好像只要活得任何有關原光子來路的信息,都會使光子在穿過縫隙時不再表現出波的性質。而且更奇怪的是,實驗特意設置成光子先抵達屏幕,其糾纏光子再抵達探測器,所以是一個光子先根據其波函數落在屏幕上,這之後其糾纏對象抵達探測器,卻以某種方式回溯影響了之前光子在屏幕上的落點。

接著,物理學家們在上述實驗的探測器後,又加了一個裝置,量子擦除裝置。它的用作是用來摧毀任何有關光子來路的信息。神奇的一幕出現了,所有經過量子擦除器的光子,其另一半的糾纏光子就會再一次的顯示出幹涉條紋。

延遲選擇實驗並沒有告訴我們波函數是否具有實在性,但它說明了哥本哈根詮釋或其他對波函數的抽象詮釋跟那些物質詮釋(波函數具有實體意義)一樣瘋狂。實際上,問題的答案或許隱藏在量子糾纏這一迷人的現象中。

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    這就是量子力學的基本概念,即觀察的過程會導致波函數的塌縮。Kim的這個實驗更加複雜,結果也更加驚人。即事情的結果發生了,然後才是這件事情產生的原因。舉個例子,水是熱的是因為我們燒水。但是現在的實驗結果確實,水先熱我們才去燒。這個實驗因為違反人類的認知事物客觀因果規律,在過去被精確地用不同的手段被重複了很多次。量子力學認為,觀測會導致粒子波函數的塌縮,即觀測是粒子波函數的塌縮的原因。
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    本條目所論述的雙縫量子擦除實驗是楊氏雙縫實驗的一種變版。假設在楊氏雙縫實驗裡,觀測光子到底穿過的是哪條狹縫,則光子會因此無法與自己相互幹涉。假設整個光束的每一個光子都像這樣被觀測所通過的狹縫,則先前在探測屏顯示出的楊氏雙縫實驗幹涉圖案會被消毀。這意味著路徑信息與幹涉圖樣可視性是彼此互補的變量。
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    可惜,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。無論雷射脈衝源(laser pulse source)每次只發出一個光子還是多個光子,結果都是一樣的。這就是著名的惠勒延遲選擇實驗(Wheeler's delayed choice experiment)(詳見量子力學發展大事記)。實驗結果表明,我們現在的選擇(觀測行為)改變了光子過去的「選擇」。
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    可惜,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。無論雷射脈衝源(laser pulse source)每次只發出一個光子還是多個光子,結果都是一樣的。這就是著名的惠勒延遲選擇實驗(Wheeler's delayed choice experiment)(詳見量子力學發展大事記)。實驗結果表明,我們現在的選擇(觀測行為)改變了光子過去的「選擇」。
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    最近看到一個很有意思的實驗,叫做惠勒延遲選擇實驗。這個實驗證明,「歷史」是可以被現在的行為影響的。那麼這個實驗到底是怎麼一回事呢?惠勒延遲選擇實驗1979年,為紀念愛因斯坦誕辰100周年,科學家惠勒提出的思想實驗,對量子力學的一些基本問題進行探討。實驗裝置並不複雜,概述而言,如下圖所示:首先光子發射器發射光子。
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  • 「煙霧纏繞的巨龍」:延遲選擇實驗
    為了具象地展示這種物理概念,惠勒提出了著名的延遲選擇思想實驗。在這個思想實驗中,對粒子性和波動性的界定被延遲到了測量階段。因此,光子在實驗中既能表現粒子性,又能表現出波動性。事實上,取決於測量的時間和方式,光也可以同時以這兩種形態存在。  在過去的幾十年間,量子物理學家們一直試圖在實驗上實現惠勒的理想實驗,從而使波粒二象性有確實的實驗依據。
  • 詭異的量子實驗:未來真的能決定過去嗎?
    雖然關於穿越者和21世紀宿主的意識之間的量子糾纏尚有不清楚的地方,但這是次要的。這個節目的重點是,穿越者回到過去並嘗試改變歷史的進程,使未來變得更好。在量子粒子的層面上,也就是單個光子、基本粒子或單個原子的層面上,有一個被稱為惠勒延遲選擇實驗,表明現在的行為可以影響過去。這些實驗使用了粒子的波粒二象性,量子物體的物理性質在被測量之前是不確定的。換句話說,這意味著根據測量設備的不同,光子或其他粒子可以表現為波,或粒子。
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    量子延遲實驗提出來的時候只是一個思想實驗,並沒有經過實際驗證。但是隨後卻有部分科學家嘗試著進行實際的實驗,做出的結果也和理論預言一致。雙縫幹涉實驗量子延遲實驗是雙縫幹涉實驗的升級版,實驗的核心思想就是在確信光子已經通過幹涉狹縫的時候
  • 【量子物理】一個神奇的量子實驗--延遲實驗
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    歡迎收看量子科普第123期,今天和大家聊一聊十分詭異的延遲選擇實驗。,關於這個問題,愛因斯坦與玻爾展開了長達半個世紀的爭論,愛因斯坦堅信人的觀察行為不可能決定微觀粒子的狀態,微觀粒子狀態的決定性因素只能是物質本身,但延遲選擇實驗卻將愛因斯坦的絕對論徹底否定。