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延迟选择实验:现在的选择,可以影响过去早已发生的事情!

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“对于像我们这些信仰物理学的人而言,过去、现在和未来之间的区别只不过是一种顽固持续的幻象。”—阿尔伯特.爱因斯坦

简单回顾历史

从十七世纪开始,科学的发展和对光的本质的研究就紧密地联系在一起。牛顿(Isaac Newton)曾断言光是由粒子组成的;和他同时代的著名科学家惠更斯(Christiaan Huygens)持不同观点——他认为光的本质是波动。现代的量子物理学家认为,两者的观点都是正确的。光既可以被视为粒子,也可以被视为波。光的这两种不同特征会在物理实验中不同程度地表现出来,它取决于光的哪一种性质在实验中被测量。这种“波粒二象性“是量子力学最基础的原则之一。它挑战着人类的常识认知:一种物质是否可以同时具有两种相互冲突的性质?

二十世纪七十年代,美国的物理学家惠勒(John Archibald Wheeler)将这种量子力学中的最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙” (Great Smoky Dragon):人们可以看到巨龙的尾巴,它是粒子产生的源头;也可以看到巨龙的头,它是实验测量的结果。但是巨龙的身体却是被烟雾缠绕着的,并且人们永远无法驱散这些烟雾:实验测量的方式决定实验所研究的现象。为了具象地展示这种物理概念,惠勒提出了著名的延迟选择思想实验。在这个思想实验中,对粒子性和波动性的界定被延迟到了测量阶段。

我们知道,物理学中有趣的实验是双缝干涉实验,它证明了光具有波粒二象性;更有趣的实验是单粒子双缝干涉实验,它表明:物体在产生与探测的奇怪过渡间,可能并不是明确存在的,甚至不是真正的粒子,我们无法得知其确定位置和路径,直到我们去观察探测从而导致波函数塌缩后;最有趣的实验便是单粒子双缝干涉实验的延伸实验——延迟选择实验了,因为这个实验不但神奇,简直就是神秘,不可思议,无法理解,它能颠覆我们对整个世界的认识,甚至打破我们所认为的因果律。

单粒子双缝干涉实验

在这个实验中,一个光子射向一面有两条缝的纸板,后面有一个屏幕会显示光子穿过那一条缝隙。奇怪的事情发生了,如果我们不做任何观察,后边的屏幕会显示这一个光子同时穿过了两个缝隙,但是当我们拿眼睛或者用仪器记录光子到底穿过那一条缝隙的时候,实验结果表明,光子只从其中一个缝隙穿过。

狡猾的光子好像知道了人类正在偷偷观测它。人的观测影响了实验结果!这还不是令人惊讶的,它还意味着我们可以改变过去已经发生的事情。我们来看这个实验宇宙尺度的解释。

我们想像有颗恒星在亿万年前朝地球发射出一个光子,中间隔了一个星系,由于引力透镜效应(gravitational lensing),那个光子得绕过星系弯曲才能抵达地球,这里有两条道路,类似上面的双缝。它在经过星系时候,我们不做观测,光子肯定同时经过两条道路,但是亿万年后,光子即将到达地球的时候,我们在星系的两端架上望远镜,选择偷看那个即将到来的光子,好看清光子走了哪条路径到地球,结果显示它只会二选一,只穿过其中一个道路。

这是什么意思?这个意思是我们用以观测「当下」的方法会影响亿万年前光子走的路径。我们现在的选择,影响了过去早已发生的事情。

一切都没有道理,可这对量子物理学而言到是很常见的情形,不论我们能不能理解,这都是真的。这个实验也许揭示了不存在什么过去、现在和将来,也就是我们可以衡量与理解的时间,其实并不存在。

延迟选择实验

上面双缝干涉实验取决于人的观察,那就有科学家不乐意了,你光子不是很狡猾,能知道我是不是在观察,然后选择怎么穿过细缝么?不要紧,那我就延迟观察:在光子穿过缝隙之前先不观察,到穿过之后再决定要不要观察,这样光子穿过细缝的时候就无法确定人类会不会观察了,我们不就可以准确的知道光子是怎么穿过细缝了?

在爱因斯坦诞辰一百周年的纪念大会上,他当年的助手惠勒提出了一个天才的实验。实验首先假设哥本哈根学派的“意识”理论是正确的。首先发出一个光子,在其行进路线上设置一个半透镜X,那么光子会叠加地同时沿两条路径A和B前进。再将两路光线会合。 但是实验结果出乎意料,即使我们延迟观察--在光子穿过细缝之后再进行观察,光子还是呈现粒子性(只通过一条细缝);不进行观察,光子依然呈现干涉条纹(同时通过两条细缝)。这个结果意味着,我们现在的选择(观测行为)改变了光子过去的“选择”。

也就是说,我们可以在事情已经发生之后再来决定它应该怎么发生——无论是否事情的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定!!!!!!

下图中最上面的部分,在终点之处看到的是光的粒子性。在图中下面部分,终点处又插入一块半透镜,让光形成自我干涉,可以在一个方向上看到干涉条纹,另外一个方向上通过调整位相使得在这个方向上的光子呈反相而相互抵消

惠勒是爱因斯坦的同事、理查德·费曼的导师、最有名的物理思想家之一(提出万物皆是信息的思想)、最早使用黑洞这一名词称呼“黑洞”的物理学家。

在惠勒提出构想5年后,马里兰大学的Carroll O Alley和其同事当真做了一个延迟实验,其结果证明,我们何时选择光子的“模式”,这对于实验结果是无影响的;与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。

在这个最新版本中,研究人员使用意大利航天局的马泰拉激光测距天文台(MLRO)的装置分割了一束激光脉冲,因此光子可以采取较短的路径,或者以更复杂的绕远的方式前进。激光通过的距离:从地面到外层卫星,再反射会地面。该实验就像最开始说的,再一次验证了事后的选择,决定了光子之前的行为。

宇宙大尺度延迟选择实验

70年代末,瓦尔希等人用光学望远镜发现了一对类星体。它们的亮度差不多,光谱中有相同的发射谱系,曾被认为是两个不同的类星体。然而现已证明,二者实际上是一个类星体由于引力透镜原理所成的两个像。而这个双像是在地球上进行宇宙尺度的延迟选择实验的天然光源。科学家将望远镜分别对准两个类星体像,利用光导纤维调整光程差,并将光子引入实验装置,完成了星际规模的延迟选择实验。实验结果进一步表明,我们是否插入第二块半镀银镜B,决定了上亿光年前就已发出的光的路线,物理世界的定域性在此被彻底推翻。

面对实验结果,人们要么保留实在性,要么保留定域性,二者至少必须放弃一样。这种选择是痛苦的,大多数人并不表态,只能默认这样的结果,妥协的结果就是放弃了实在性。因为这似乎是唯一的选择。客观世界不是实在的,这个结论只能让人彻底疯狂,但也只能无奈地接受,或许世界真像爱因斯坦疑惑的,“月亮难道只有我在回头看它的时候才存在吗”。

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