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延迟选择?神奇的双缝干涉实验

(2012-03-12 10:01:17)
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说明:本文源自网络,经过整理删节。

 

    人们都认为,我们如今的世界是由过去的世界演化发展而成的,是经历了无数的历史事件之后的结果。这是我们所看到的事实,这也符合因果论。但现在有个实验告诉我们一个看似很荒唐的结论:我的现在的行为可以对过去产生影响!

   延迟选择实验是美国理论物理学家惠勒(John. A. Wheeler,1911-)在1979年提出的一个思想实验,它把哥本哈根学派的思想推倒了极端。

   延迟选择实验是对玻尔—爱因斯坦辩论中曾讨论过的分光实验的推广,而分光实验,又是量子双缝实验的一个变形。

 

1 杨氏双缝实验:光的实在性
  光的双缝实验是托马斯·杨(Thomas Young)在1801设计的,初为双孔,后改为双缝。实验非常简单,在光源和接收屏之间放一个上面刻有两个平行狭缝的隔板,结果在接收屏上出现了光的干涉条纹。

    牛顿把光解释为粒子,给它赋予一个实在性更强的本性。在当时的物理学看来,粒子是物质实体,而波只是物质的运动方式,其本身不具有实在性。但,杨氏实验则证明光是一种波,取消了光的实在性。

    1905年,爱因斯坦的光电效应实验及其光量子理论,又复活了光的粒子说。1924年,德布罗意提出波粒二象性。1927年,电子的晶体衍射实验证明电子确实具有波动性。波和粒子这两种物质形态现在成为一个统一的物质实在的两种表象。双缝实验也可以用电子进行。同样,如果我们把光强减弱,使得从光源处发出的光不是一束光波,而是一个个光子,其结果类似于一个个电子的情形。
  将实验条件进一步改造,光子将呈现出更为诡秘的性质。
  (1)让光子一个个地发出,在前一个光子打在屏上之后,再让后一个光子发出。少量光子将在屏上形成随机分布的图案。随着光子的增多,屏上逐渐显示出与光子流(光波)的情形相同的干涉条纹来。

    对此,可能的解释是:①将要发出的光子能够与已经打在屏上的光子发生干涉。但是这意味着一个尚未发生的事件能够与已经结束的事件发生作用,违反时间因果律。所以有②,每个光子都和自己干涉。这意味着每个光子自身都同时经过两个狭缝。则必须假设,光子是以波的形态通过狭缝的,故能与自己干涉。在打到屏上之前,又变成一个粒子,随机落到屏上某点。而这个随机点又遵从某种几率分布,使得大量光子呈现出干涉条纹。这种让一个光子同时走两条路的解释在宏观世界是不可能的。
  (2)仍然让光子逐一发出,但是将双缝中的一个遮挡起来。少量光子仍然随机分布,而大批光子则呈现出单缝的衍射条纹。需要强调的是,两个单缝衍射条纹的简单叠加并不等于双缝的干涉条纹。即,光子有两种不同的运动规迹,单缝时衍射,双缝时干涉。问题是,单个的光子怎么知道前面是单缝还是双缝,从而做出运行规迹的选择?

    一个可能的解释是:①光子具有某种智能,它知道前面是单缝还是双缝。这显然不是一个物理学的解释。于是有②,每个光子都以波的状态通过缝隙,不论是单缝还是双缝。如果是双缝,就和自己干涉,如果是单缝,就自己衍射。但是这个解释仍然没有解释:光子怎么知道前面是单缝还是双缝。

 

延迟选择实验: 分光实验

    爱因斯坦借用麦克尔逊—莫雷的光行差实验装置,把双缝实验变成了分光实验,二者的物理意义是相同的。实验装置见图。 

http://s11/middle/60c4c4e9tbb02c242769a&690

  图中,光子从光源I1发出,遇到一个镀银的半透镜BS1,按经典理论,则光波分成两半,各占50%。如果按量子力学分析,则光子反射和透射的几率各占一半,整个系统的波函数是两者的叠加。分成两半的光波或几率各半的光子经M1、M2两个反射镜反射,在I2处汇聚。在此,有两种方案。
  其一:如图,在I2处放置两个方向的光子探测器D1、D2,不要图中的半透镜BS2。则如D1响,表明光子来自M1,如D2响,表明光子来自M2。探测器每响一次,完成一次测量。按照经典理论,我们相信这个光子在测量之前就已经存在,光子或反射,经M1到达I2;或透射,经M2到达I2。在某一个确定的时刻,光子必然处于某一条轨道的某一个位置上。但是我们不知道它究竟在哪个轨道上。需要通过测量进行反推。
  其二:如图,在两探测器之前放置另一个半透镜BS2,来自M1M2的光子再次一半透射,一半反射,并在此干涉。调整光程差,可以使达到探测器D1的干涉光因反相而相消,此探测器将不会接收到任何光子信号;同样方法可使达到探测器D2的干涉光同相而相加,只要光源发出光子,则必被此探测器接收。这样,每次测量都会表明光子是同时经过两条路线到达I2的。因为只有这样才会有干涉现象发生。

  在此,放还是不放第二块半透镜BS2,相当于在双缝实验中打开还是遮挡另一个狭缝,但更加简明。

    如果不放第二块半透镜BS2,测量结果会表明,光子只是走过其中一条路线M1M2到达I2处。如果放置第二块半透镜BS2,测量结果会表明,光子同时走过两条路线M1M2到达I2处,并发生干涉。

 

3. 延迟选择:还原论与整体论解释 
  爱因斯坦认为,一个光子不可能既能只走一条路线,又能同时走两条路线。这表明量子论是自相矛盾的。玻尔用其互补原理进行解释,认为两者并不矛盾,因为这是两个不同的实验,而关键的是不可能同时做两个实验。
  于是,放还是不放第二块半透镜BS2,会影响光子路线的选择。即,我们的测量方式对被测量的事件产生了不可挽回的影响。

   

    惠勒关于延迟选择实验的突破:1979年,在普林斯顿纪念爱因斯坦诞辰100周年的专题讨论会上,惠勒正式提出了延迟选择的思想:即当光子已经通过M1、M2之后再决定是否放置半透镜BS2。如果放,我们可以说光子同时走过两条路;如果不放,则只走一条。这样就导致了一个怪异的结论:观察者现在的行为决定了光子过去的路线。

    这个思想实验并没有限制实验室的尺度,M1、M2两条路线原则上可以无穷长,几米、几千米乃至几亿光年都不会影响最后的结论。观察者现在的行为所决定的过去可能是非常遥远的过去,甚至远到人类还没有诞生的宇宙早期。
  更严重的危机出现了。现在已经不仅是光子究竟走哪一条路,能不能知道走哪一条路的问题;甚至基本的因果性时间顺序也遭到了挑战。

  在惠勒的构想提出5年后,马里兰大学的卡洛尔?阿雷(Carroll O Alley)和其同事当真做了一个延迟实验,其结果真的证明,我们何时选择光子的“模式”,这对于实验结果是无影响的,和玻尔预言的一样,和爱因斯坦的相反!与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。

 

4.这稀奇古怪的事情说明了什么

  这说明,宇宙的历史,可以在它实际发生后才被决定究竟是怎样发生的!这样一来,宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙的行为在道理上讲已经演化了几百亿年,但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观察才成为确定。我们的观测行为本身参予了宇宙的创造过程!这就是所谓的“参予性宇宙”模型(The Prticipatory Universe)。宇宙本身没有一个确定的答案,而其中的生物参予了这个谜题答案的构建本身!

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