惠勒延遲實驗窺探到的量子奧秘，真的打破了因果律嗎？

昨晚寫了惠勒延遲實驗的問答，非物理專業的小夥伴表示沒看懂。好吧，看來寫作功底還不夠，那今天再試著更通俗化解釋一下吧。

歡迎探討~

■|啥是因果律？

乍一看名詞挺高大上啊，實際就是說結果是由原因導致的，原因一定在結果之前發生。

比如說，早上出門忘帶鑰匙了，這是因，導致晚上回家的時候被鎖在門外了，這是果。

因果律是一條不證自明的公理，不需要證明，它就是這麼存在的，否則咱們的世界就亂套了。

圖1：事件光錐

事件光錐也是來說明過去的所有事件（下半圓錐）作為因，影響了現在這個時刻，以及未來的走向（上半圓錐）

好，如果早上忘帶鑰匙了，晚上回家居然用鑰匙把門打開了，那這麼扯淡的事情怎麼可能發生呢？除非打破了因果律，晚上在門口掏鑰匙的時候瞬間逆轉了早上發的「忘帶鑰匙」這個事件，變成「帶了鑰匙」。

惠勒延遲實驗，貌似就是讓我們觀察到了這麼一個不可思議的現象。

■|雙縫幹涉

如果有兩束光到達同一個位置，由於光是波動，那麼就會產生幹涉效應。也就是兩個光玻的振幅相加，那麼如果震動方向一致，就產生疊加效果，震動方向相反就產生抵消效果。如下圖：

圖2：幹涉疊加

圖3：幹涉相消

在光的雙縫幹涉實驗中，一束光通過雙縫後分成兩束，兩束光在後面的屏幕上產生幹涉，得到幹涉條紋。

圖4：雙縫幹涉實驗

這是由波動特性決定的。

那如果不是一束光，而是一個一個的光子逐個發射，又會產生什麼效果呢？

這個實驗最早是使用電子來做的，用電子槍逐個逐個發射電子，會發現電子在雙縫會隨機通過其中一個縫，如果在一個縫後面裝探測器，它探測到電子的概率是50%。

圖5：單電子雙縫實驗

如果撤掉探測器，那麼每個電子通過雙縫後會在屏幕得到一個亮點。當逐個發射的電子足夠多後，會發現，屏幕上的電子分布規律是符合幹涉條紋的。

也就是說，即使電子（或光子）不是同時發射的，最後也能產生幹涉。

這樣的結果是很難解釋的。第一個電子已經到達屏幕了，第二個或者以後的電子又怎麼去和他幹涉呢？除非它能影響前一個電子的行為？

■|惠勒延遲實驗

為了更好的驗證這個問題，惠勒改進了這個實驗，他用半透鏡的方式產生幹涉。具體如下：

圖6：惠勒延遲幹涉實驗

首先解釋下實驗裝置。裡面使用到了半反半透鏡，就是當光入射到半反半透鏡上時，有一半光可以透過，一半光則是反射。

有些建築外立面的玻璃就是這種半透玻璃，外面的人可以把這當鏡子照，裡面的人也能看見外面的人，相當於外面人身上反射出來的光到達這種玻璃後，一半透射進建築裡面，一半反射回來了。有一些太陽鏡也是這種原理。

圖7：玻璃外牆

參考圖6，當一束單色光經過一個半反半透鏡1，分成兩束強度相等的光，再分別經過反射鏡反射後在一個位置相遇，如果在這個位置再放上一個半反半透鏡2，精密地調整兩束分光的光程差，那麼可以使得兩個探測器中一個總是得到幹涉疊加的光，另一個總是得到幹涉相消的光。

也就是按上圖實驗裝置，調節好兩路光的光程差後，可以使得一個探測器始終得到100%亮度的光，而另一個探測器則始終沒有光。

■|單光子的情況

對於單個光子在遇到半透鏡1的時候，它有50%的概率走反射鏡1的通路，有50%的概率走反射鏡2的通路。

如果不使用半透鏡2，那麼探測器1和2各有50%的概率探測到這個光子，這時候光子是一個粒子。

而如果使用半透鏡2，按照粒子的50%透50%反的規律，應該也是每個探測器各有1半概率收到光子。然而實驗的結果是，其中一個探測器會總是收到光子，另一個卻總是收不到。也就是說，就算只有一個光子，也是有幹涉效應的。

那麼問題來了，從粒子角度來看，這是沒法解釋的。因為粒子在半透鏡1的時候，要麼走反射1的通路，要麼走2的通路，它是光量子的最小單位，並不能一分為二走兩路，那在半透鏡2怎麼能干涉呢？

所以只有用波動解釋才能解釋通，即它同時通過了兩條通路。

■|打破因果律了嗎？

接下來的實驗，才叫人大跌眼鏡。

單光子實驗時，如果沒有半透鏡2，單個光子是粒子，而如果有半透鏡2，則它又是波。

接下來實驗這樣進行：

1. 首先不使用半透鏡2，如果能在光子通過半透鏡1之後的瞬間，這時候光子已經有50%的概率選擇了通路1或者通路2，如果不加半透鏡2，那麼這時候光子還是有50%的概率去探測器1或者探測器2的。
2. 而如果在光子到達相遇地點（半透鏡2）之前，瞬間把半透鏡2加上去，由於光子已經通過了半透鏡1的反射或投射，在到達半透鏡2時，貌似也應該是50%的概率反射，50%的概率投射。

然而，實際實驗結果是，只有一個探測器是始終接收到光子，而另一個始終收不到。這說明光子還是選擇了波動特性，同時經過兩半透鏡1之後的兩條路徑。

仔細想想這個過程，光子已經通過了半透鏡1，選擇了某一條通路，這時突然放入半透鏡2，使得之前已經通過的這個事件翻盤成為同時通過兩條路徑。

也就是說，放入半透鏡2的事件，使得在它之前的光粒子半透事件變成了波動事件。這樣後面發生的行為影響了前面的行為，所以說打破了因果律。

細思極恐！那麼，是不是我們可以通過某一個幹涉事件，影響過去自己的行為來達到改變自己的歷史呢？

當然是不可以的，如果真的能做到，那現在物理學的基石就都打破了，光速恆定也將推翻，愛因斯坦廣義相對論將不再適用，甚至我們能回到過去。

其實呢，「打破因果律」的說法不過是一種片面的解釋。惠勒延遲幹涉實驗，本身這個事件從不同的角度觀測，得到的結果是不同的，我們既不能把光看做單純了粒子，也不能看做單純的波。粒子性和波動性只是它的兩個方面而已，限於人類的觀測條件所限，我們要麼看到了粒子性，要麼看到了波動性，這是片面的。

就好像盲人摸象，他們每個人說的都對，又都不對。一個人摸到大象腿說大象是圓柱，這沒錯，另一個人又摸到大象身體說是堵牆壁，這也沒錯。但是不能說第二個人摸到了牆就改變了第一個人摸到圓柱這個事件。

人類目前對量子世界的理解也就像盲人一樣，還沒法看到它的全貌。所以打破因果律的推論不過是在一個片面的觀測下得到的片面結論。

量子世界還有很多未解之謎等待我們去破解。

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