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烟雾缠绕的巨龙,是波,还是粒子?

物理学家有时候会把一束在空间中传播的形容为“烟雾缠绕的巨龙”:人们可以看到巨龙的尾巴,那是光产生的源头;也可以看到巨龙的头,它是实验测量的结果。然而,巨龙的身体却被烟雾缠绕,人们对光在这段旅途的状态知之甚少。


光的本质是什么?从17世纪开始,科学家对这个问题便持有两种截然不同的观点。牛顿(Issac Newton)认为光是由粒子组成的,而与他同时代的荷兰科学家惠更斯(Christiaan Huygens)则认为光是一种波。后来,通过双缝实验我们得知,这两种观点都正确——光的行为即可以被视为粒子,也可被视为波。


○ 光的波动行为可以用来描述衍射和干涉等现象,而光的粒子行为则可以解释光电效应或黑体辐射。| 图片来源: QuantumFuture Research Group, University of Padova


光的这种令人捉摸不透的性质被称为波粒二象性,并由量子理论描述。(量子物理是目前描述所有已知粒子的最好理论,它认为在最基本的层面,现实是模糊和不确定的。例如,被称为叠加态的超现实量子效应本质上允许电子、原子和宇宙中的其它基本单元同时存在于两个或多个地方。)波粒二象性是量子力学的一个关键特征,但并不容易根据我们日常经验的直觉来理解这个概念。这种双重性质在量子世界中变得越来越奇怪。


根据量子物理,所有的基本粒子都应被视作为同时是波和粒子,但在进行观测时,我们要么会观测到光的波动性,要么观测到它的粒子本质,从来不会同时观测到两种状态。无论我们如何尝试,对光进行测量的行为就会迫使它表现成为其中一种状态。


为了检验光是如何“选择”在被探测到的时候是粒子还是波,在1978年的时候,约翰·惠勒(John Wheeler)提出了著名的思想实验:延迟选择实验(delayed-choice experiment)


○ 马赫-曾德尔涉仪是一个由两个分光镜(beam splitter)、两面镜子(mirror)和两个探测器(detector)组成的光学系统。光子通过干涉仪的时候,通常会沿两条路径传播,干涉图案则可在其中一个探测器上出现。如果移除第二个分光镜,光就会像粒子一样,必须沿着其中一条路径传播,以相同的概率被任一探测器记录。| 图片来源: V.Altounian/Science


在这个思想实验中,惠勒想象将光子送入一个叫马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)的光学仪器,这强调了光的波动性质。首先,光子会遇到一个像镜子一样的被称为分光镜(beam splitter)的光学装置,将进入的光子分成沿两条不同路径传播的量子波。接着,它们会在第二个分光镜中结合,并相互干涉,被其中一个探测器记录到


如果我们将第二个分光镜移除,只在实验装置中留有一个分光镜时,波的干涉就不可能发生。第一个分光镜只会将光子送入其中一条路径,被其中一个探测器检测到。这表明光子在分光镜上做出了“选择”,选择表现得像粒子一样。于是惠勒设想,如果我们首先将实验设置成一个测量光为波动性质的实验(即实验拥有两个分光镜),接着在光子已经进入干涉仪、经过第一个分光镜后,立马将实验装置更改为测量粒子属性的设定,会发生什么呢?如果光要么是粒子、要么是波,那么在实验属性决定之前,它就必须要做出“选择”,如果光选错了会怎么样?




惠勒提出的的延迟选择实验,试图回答这些问题,即光会在进入实验装置后延迟做出属性选择的决定。如果光子一开始以粒子属性进入实验,而在进入之后,实验装置被临时更改为对波动属性的测量,光子最终会表现得像波一样。这一断言表明的含义是很奇特的,它说的是现在的决定,决定了过去的事件:光子在过去选择表现得像波还是像粒子。而量子理论避免了这个问题,它假设光子在被测量到之前,既是波又是粒子。


○ 在惠勒的思想实验中,他构思出了一个“宇宙干涉仪”。假设来自遥远的类星体发出的光受到临近星系的引力透镜作用的影响,会导致来自同一个类星体的光就好像是从两个略微不同的位置发出的。随后惠勒指出,这种光可以以两种不同的方式被观测到:第一种是将探测器对准每个透镜图像,进行粒子性质测量;第二种是在干涉仪中将这两个位置的图像结合在一起,进行波性质测量。但是,光的传播之旅发生在数十亿年前,远远早于我们决定该进行哪个实验之前。通过这种“延迟选择”,那么来自类星体的光似乎早在几十亿年前就“知道”它在实验中会被认作是粒子或是波。| 图片来源: QuantumFuture Research Group, University of Padova


在过去二十多年中,科学家已经用实验验证了惠勒的想法,但是在这些实验中,光子传播的最长距离也只约为140公里。因此虽然大多数科学家认为这已经是足够坚实的证据了,但也有一些科学家认为这些在实验室中进行的实验,或许会有一些微妙的作用给光子提供了结果是什么的线索。因此,科学家一直致力于在更远的距离上进行这项实验。从惠勒提出思想实验到现在,科学家花了近30年之久,终于成功地利用干涉仪在地球上和太空卫星之间完成了这项实验(传播距离约为3500公里)


意大利帕多瓦大学的 Paolo Villoresi 和他的同事用数千公里外的卫星来进行这个实验。他们的实验设置跟其他延迟选择实验的设置很类似,但有一点不同。光先通过实验室中的干涉仪,且不会在此简单地测量出结果,而是以结合在一起的光束的形式被送往太空,入射入在近地球轨道上环绕的卫星上的镜子。当只有在光反射回实验室之后才能测出结果,在光束远离实验室之前,测量选择都不会被确定,因此实验室本身对结果不会产生影响。


在这个实验设置中,研究人员先在意大利航天局的马泰拉激光测距天文台(MLRO)用分光镜为激光脉冲分出两条可传播路径,其中一条路径是直的,另一条是更复杂、更远距离一点的绕行。在复杂路径上的光与在笔直路径上的光会在之后重合,并一前一后的沿着相同的路径向几千公里外的近地球轨道卫星传播。


○ 实验装置。| 图片来源:  Vedovato et al.


卫星将脉冲反射回地球,在地球上有一个装置可以随机选择执行两件事中的一件:一是什么都不做,二是可以“拖住”第一个脉冲一点,让两个脉冲在同一时刻到达探测器处。这个决定就对应于惠勒的延迟选择:不采取任何行动可以使两个脉冲的光程保持不等,而采取行动能让两个脉冲的光程相同。当光程不等,光子一个接一个地到达探测器,我们便可以分辨它们采用了哪条路径,在这种情况下,它们表现得像粒子一样。当两条路径的长度相等时,探测器无法知道每个光子所采用的路径,在这种情况下,每个光子都是处于同时采用了两条路径的叠加态,并且产生干涉,显示出波的性质。


这一随机决定只在光返回地球之后才做出,这意味着不到击中探测器的那一刻,光是无法“知道”科学家在期待测量什么的。如果研究人员仍能看到相同的现象,即当光重新结合时出现的干涉图纹,和当两个脉冲没有结合而探测到的单一信号,则说明在他们的装置做出随机选择前,光同时既是粒子也是波。


延迟选择实验可能有助于探索相对论(要求因先于果)与量子理论之间的界限。尽管严格来说,量子效应并没有违反因果关系,但仍创造了一个此刻的测量能塑造过去事件的紧张局面。这个将量子力学和相对论混合在一起的领域在目前仍有许多未知等待我们去探寻,正是类似这次的实验为这种探索提供了可能。它也是将“量子光学”从实验室引入太空的一个成功典范。今后或许会有越来越多的量子研究相关的实验可以在太空中进行。

参考链接:

[1] https://quantumfuture.dei.unipd.it/publications/selected-publications/137-extending-wheeler-s-delayed-choice-experiment-to-space

[2] https://phys.org/news/2017-10-satellite-wheeler-quantum-theory-thought.html

[3] https://www.space.com/38568-testing-quantum-mechanics-in-space.html

[4] https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2017/10/25/quantum-thought-experiment-works-in-space/#5e5523737fb7

[6] https://www.newscientist.com/article/2151427-lights-quantum-weirdness-survives-after-going-to-space-and-back/

[7] https://www.scientificamerican.com/article/quantum-delayed-choice/

[8] http://www.sciencemag.org/news/2017/10/quantum-experiment-space-confirms-reality-what-you-make-it-0?utm_campaign=news_weekly_2017-10-27&et_rid=17712178&et_cid=1628247

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