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过去可以被改变?看后怀疑人生的延迟选择量子擦除实验!

你相信过去可以被改变吗?量子的延迟选择实验似乎给出了肯定的答复。今天,我们就来了解一下这个实验,以及这个实验的加强版,更加诡异的延迟选择量子擦除实验。了解了这个实验,我们就可以一揽子了解几个量子力学的重量级概念,概率论、互补原理、波粒二象性、量子纠缠等等,从此就可以无障碍地聊量子论了。

我的西瓜视频中曾简单提到了电子双缝实验,如果你觉得很难理解,没有关系。因为量子论的奠基人之一波尔说过,如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论。

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双缝实验

首先,我们简单回顾一下单光子双缝实验。大家知道,光是一种电磁波,而干涉是波的特性。因此,当让一束光通过双缝时,双缝分割后的两个光波就会相互干涉,在感光屏上产生干涉条纹。那么,如果让光子一个一个地通过双缝,结果会怎么样呢?按通常的理解,既然光子是一个一个地通过狭缝的,最后形成的,肯定是和双缝对应的两条光斑。但是实验证明,即便是单光子,最后形成的也是干涉图样
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于是问题就出来了,单个光子和谁去干涉呢?量子论的结论就是光子和自己产生了干涉,因为一个光子同时通过了两条缝。这很难让人相信,当时爱因斯坦也不信。那么,我们去看一下光子到底是走的哪条缝不就行了吗?但是,如果我们试图去观察光子走的是哪条缝,干涉图样就会消失。光子就会每次只走一条缝。这就是波尔提出的量子论的核心理论之一,互补原理。通常称作“波粒二象性”,体现了波动性和粒子性的互补。也就是说,光子、电子等等这些微观粒子,到底是波还是粒子,取决于你的观测方式,你以粒子的方式去观测它,它就显示出粒子性。你以波的方式去观测它,它就显示出波的特性。

引申一下,我们说一张白纸是白色的,实际上包含了隐含的观测方式,也就是人用肉眼在阳光下去看,纸是白的,如果戴个红色眼镜,纸就是红色的。如果你要探究这张白纸“本来“是什么颜色的?量子论的回答是,没有”本来“,唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。脱离了观测手段,去探讨这张纸的颜色,是没有意义的。

如果我们把光子经过了哪条缝称作“路径信息”,那么也可以说“路径信息”和“干涉条纹”之间具有互补性。如果我们获得了路径信息,就会破坏干涉条纹

延迟选择

好,了解了以上基本内容。我们先来看看物理学家 约翰·惠勒 于1979年提出的一个思想实验:延迟选择。

从光源发出一个光子,让它通过一个半透镜。半透镜的特性就是光子有50%的概率被反射,走红色路线; 有50%的概率透射过去,走蓝色路线。之后,在反射或者透射后光子的路径上,分别再放一个全反射镜,让两条路线在C处交叉。然后,在C处放两个探测器,分别观测光子从那里来。这时候,只有一个探测器能够探测到光子,我们也就因此能够确定光子走的是那一条路径。此时光子体现的是粒子性。
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如果我们在两个探测器之前再放一个半透镜,那么光子又会分别有50%的概率被反射或透射,从而和自身发生干涉,经过适当调整,可以如何某一方向的干涉光互相抵消,比如让A的干涉光抵消,那么我们就会发现在A探测器上永远无法探测到信号,而B则一定会接受到信号。这就说明光子同时走过了两条路径,才会与自身进行干涉,体现出波动性。

还记得之前说过的互补原理吧,如果我们知道光子的路径,光子就表现出粒子性; 否则,就会表现出波动性。

实验到这里,和之前说的单光子双缝干涉实验其实没有太大差别。接下来,神奇的是,如果我们先不放第二个半透镜,等光子已经通过半透镜1后,已经确定了是要走A或者B之后,我们再突然把第二个半透镜放上。这就是“延迟选择”的意思。这时候,按理说光子应该傻眼了,它不可能返回去再重新选择同时走两条路,它只能表现出粒子性,也就是最终A和B的探测器各有50%概率能够探测到光子。但是实际上,结果还是只有B能接受到信号,体现出了光子同时通过两条路径。也就是说,我们现在的行为改变了过去发生的事情

够神奇吧?真的是这样吗?我们接着看。

如果说,我们直接观察光子走哪条路径会干扰到实验结果的话,那么我们就采取一种方法,间接地获得光子的路径信息,结果会怎么样呢? 接下来我们看到的就是更加诡异的延迟选择量子擦除实验。

延迟选择量子擦除实验

该实验的论文发表于1999年。首先还是发出一个光子,光子通过双缝后,经过放置在A或者B处的一个名叫BBO的晶体。BBO晶体的作用,就是把这个光子转换为处于纠缠态的一对光子,至于什么是纠缠态,咱们后面再说。这一对光子,其中一个,称为“信号光子”(signal photon),也就是咱们的实验对象。而另外一个光子,就叫它孪生光子吧(idler photon),这是我们的观测光子,我们需要通过观测孪生光子,来确定信号光子的路径。通过A缝的用红色表示,B用蓝色。
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信号光子通过透镜后,到达检测器D0,为了说起来方便,我就把D0叫做屏幕吧,可以显示是否有干涉条纹。而孪生光子,则被引向一堆检测设备。首先,通过一个棱镜PS将红蓝路径完全分开,之后在红蓝路径上,分别有一个半透镜,BSa、BSb,这样,反射后的孪生光子,就会到达D3或者D4检测点,而这两个检测点,是能够知道路径的检测点。因为从D3检测到光子,就说明光子来自于B,从D4检测到光子,就说明光子来自于A。

如果孪生光子从BSa或者BSb透射过去了,就会到达两个全反射镜,Ma或Mb,反射后的光线的交汇点处,再放一个半透镜BSc,使反射和透射的光线到达D1或者D2检测点,那么在这两个检测点上是检测不到光子的路径信息的,也就是说D1或D2,擦除了光子的路径信息。因为不管是从D1检测到光子,还是从D2检测到光子,都是有一半红、一半蓝,我们根本无法确定光子到底从哪里来的,也就是把光子的路径信息擦掉了。

实验进行的时候,让孪生光子比信号光子延迟8纳秒,相对于探测器的1纳秒响应时间,8纳秒已经足够实现延迟擦除了。

因此,我们完全可以保证在信号光子已经到达屏幕时,再去决定是选择明确路径的D3、D4检测点,还是擦除了路径信息的D1、D2检测点。

还记得互补原理吗?如果我们知道了路径,就会破坏干涉,如果我们擦除了路径,就会出现干涉。但是这次是因为信号光子已经到达屏幕了,我们才做的决定,应该不会再对结果产生影响了吧?互补原理该被推翻了吧?

如何解释?

实验结果证明,互补原理依然成立。首先,只要我们有知道路径信息的手段,光子就不给我们干涉条纹,只要我们没办法知道路径信息,干涉条纹就会出现。仿佛光子在跟人类捉迷藏。其次,即便是在信号光子已经先到达的情况下再去选择是否擦除路径,结果不会有任何变化。难道光子能够提前预测到我们行动,或者说,我们现在的决定改变了光子的过去吗?

对于延迟选择,波尔说过,”任何一种基本量子现象只在其被记录后才是一种现象”,在我们没有完成实验之前,光子的状态或者说它的位置是不确定的,它依然处于叠加态之中,不存在已经走了A或者B的情况,也就是说,我们什么时候作出决定在量子实验中是没有区别的。我们不能改变过去,但是我们却可以延迟决定过去应该怎样发生。也就是说,宇宙的历史,可能是在它已经发生后才被决定究竟是怎样发生的。

对于延迟选择量子擦除实验,有一种基于量子纠缠的解释。什么是量子纠缠呢,简单来说,就是两个处于纠缠态的粒子,其物理性质是相互关联的。比如电子的自旋,以上下自旋举例,假设有两个处于纠缠态的电子,把他们分开很远,比如1000公里,在没有观测时,两个电子的自旋处于叠加态,或者说,自旋方向是不确定的。此时,如果我们观测一个电子,它表现出了上自旋,那么另外一个电子则瞬间表现出了下自旋状态。反之亦然,这就是纠缠态。这个瞬间,其实就是同时,比光传播1000公里的速度还要快。因此也引出使用量子纠缠超光速通讯的说法,当然实际上是不行的,量子纠缠无法携带信息,光速在目前依然是不可超越的。基于量子纠缠的解释的根本,就是在于处于纠缠态的粒子是一个整体系统,我们不可以把他们当作独立的子系统对待。还记得实验中,信号光子和孪生光子是一对处于纠缠态的光子吗?他们其实是一个整体的系统,具有不可分性。所以,我们不能去单独讨论信号光子的状态而忽略孪生光子的状态,过去并没有被改变,只是在我们做出决定之后,干涉才算完成。也因此,论文中给出的图形,包括干涉条纹,都是结合信号光子和孪生光子的联合检测率。

你是更愿意相信哥本哈根派的解释呢还是相信过去可以被改变呢?或者你知道其他的解释吗?欢迎留言分享你的看法。


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参考论文:

Kim, Y.-H., Yu, R., Kulik, S. P., Shih, Y. H., & Scully, M. O. (2000). A Delayed Choice Quantum Eraser. Physical Review Letters, 84(1), 1–5. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.1