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未来决定现在?延迟实验的启示


      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。 



2 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。

分光实验




  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处;或透射,经M2到达I2处。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M1或M2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处的。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M1或M2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M1与M2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。 虽然听上去古怪,但这却是哥本哈根派的一个正统推论!惠勒后来引玻尔的话说, “任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”,我们是在光子上路之前还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。 历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。 更精确地说,光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里,是个什么,是一个无意义的问题,我们没有权利去谈论它,它不是一个“客观真实”!





      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! 


       现代量子力学的发现说明物质很难以独立存在于观测之外。这个思想实验说明一个粒子在空间中走过的路径竟然会由最后的观测来决定,按理说客观存在的粒子走过的路径在观测之前已经是客观存在、不可更改的。至今物理学界对此也没有令人满意的答案。惠勒博士晚年时说的一些话表明他对物质的客观实在性也非常怀疑。实际上,“任何一种基本量子现象只在其被记录(观测)之后才是一种现象”,量子力学的创始人之一玻尔说,“而在观察发生之前,没有任何物理量是客观实在的”。也就是说,观察创造了全部的实相。现在,惠勒延迟选择实验在此基础上更进一步的说明,观察不但创造了实相,而且还可以在事情发生之后再逆时间地创造实相。关于客观实在绝对性的世界观的彻底失败,详见自然界违背贝尔不等式的阿斯派克特实验。 


  值得一提的是,关于时间,爱因斯坦创立相对论时也有一个著名的结论,“过去、现在、将来的区别,只是一种幻觉,不管人们怎么坚持这种区别也没有用”


      不过,相对论强调的是我们对时间的幻觉,而量子力学的结论更加普遍,那就是一切实相都是幻觉。





后记 


编者(阿源)注: 

我们的现在可以由未来决定。当你想要考第一名的时候,你必然要付出同样的努力。当你想去北京,那么现在就要着手去北京的方法。 

从到达北京后的自己看过去的自己,过去的赶路中的自己由已经达成的事实决定。这样一来,过去又由现在决定了。 


那么,未来能不能决定过去呢? 
下不了结论。但可以参考系统论知识,以启发。 
过去的错误经验(包括正确经验)决定了未来的注定结果。 
未来的结果状态,又决定了过去必然的经历。 
非平衡态的系统达到标准耗散结构要经历一个复杂的过程。 
(详见 系统论 标准耗散结构 ) 
简要论述是: 
现在的自己,处于不断的试错当中。 
以标准耗散结构(有序)为成功。 
1.现在(无序度高),在积累错误经验同时,探索实现增加负熵的办法,逐渐向未来的成功(标准耗散结构)彼岸奔去。 
2.现在(系统完美),系统接下来的运行过程中不断出现失误,逐渐向混乱状态(熵值增加)奔去。而混乱以后,原系统崩溃,重新建造新系统,系统再次走向有序。 
3.反过来看,未来的混乱是现在的有序(完美)造成的。而现在的完美又是由过去的丑陋(无序)导致的。这样看来 
4.是先有因后有果,还是先有果后有因? 
如果将未来的果当做因,可不可以认为现在与过去发生的一切都是未来这个因导致的?那么过去岂不是果? 

请大家思考。







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来自:动物丛林  > 科学
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