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世界的本质到底是什么?——从双缝干涉到延迟选择实验

作为从来就不是唯物主义者的我,一直相信冥冥中有神秘力量主宰这个世界。但无法知道这个力量是传统宗教中的上帝、佛祖,甚至只是创造虚拟现实的几个程序员。

      先介绍双缝干涉实验,相信很多人还记得中学物理学过的关于光的知识,双缝干涉实验是被用来证明“光波二相性”的一个经典实验。以下是实验描述:


把一个光源放在一张开了狭缝的不透明挡板前,在挡板的后面,摆设了照相底片或某种侦测屏。

        如果挡板上只有一条狭缝,光束透过狭缝,在屏幕上形成的是一条竖线图案。那么如果是相距很近平行的双缝呢?我们在屏幕上看到的是类似水波双缝一样的条纹干涉图案。实验结果说明了光是一种波。接下去,我们将光源调到足够弱时,并然后将屏幕换成可以感光的底片,在极短时间内,我们在底片上看到的是一个一个随机分布未知的的感光点。但如果时间足够长,大量的感光点依旧形成了条纹干涉图案。于是,根据实验,我们得出光即使波又是粒子的结论,并且光具备量子特点,即光束本质上是由许多个光子形成的光子束。相信国内的很多课本就到这里为止了。 

        但我们继续思考,当光束通过双缝形成干涉条纹的结果,我们可以解释成在通过双缝时光子与光子相互干涉,因此形成了干涉条纹,但问题是当实验者使光枪每次只发射一个光子,并确保前一个光子道道屏幕后才继续发射下一个光子,可实验结果是当大量光子到达感光后,屏幕上仍然形成干涉图案。于是一个匪夷所思的结果,可能的解释是: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,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,就好似一个滑雪者经过一棵树,他滑过的轨迹在经过树时一分为二,左脚从树的左边经过,右脚从树的右边经过。让人细思极恐的是,当光子通过挡板时,它怎么知道是单缝还是双缝,从而形成一条竖线图案还是干涉条纹,难道光子具备智能,自己会判断从而选择以何种方式通过狭缝? 

        于是好奇的科学家们就想到,在挡板前放置高速摄像机,想看看光子到底是如何通过缝隙的,让人毛骨悚然的事情发生了,当有高速摄像机时,光子却在屏幕上打出了如宏观弹珠试验一样的双线图案,变成了纯粹的粒子;而当实验者移除掉高速摄像机的瞬间,光子束又立即恢复成了干涉波图案!这意味着仅仅是因为观察者的观察,光子就改变了自己的行为!当我们不观察的时候,微观粒子表现出波的特性,而我们观察的时候,微观粒子就规规矩矩地表现出粒子的特性。微观粒子怎么知道人开始观察他们呢?!。

 

著名的“延迟选择”实可以被看做双缝实验的一个巧妙的变体,最早是由科学家惠勒提出的,实验的基本思路是,用涂着半镀银的反射镜来代替双缝。一个光子有一半可能通过反射镜,一半可能被反射,这是一个量子随机过程,跟它选择双缝还是单缝本质上是一样的。把反射镜和光子入射途径摆成45度角,那么它一半可能直飞,另一半可能被反射成90度角。但是,我们可以通过另外的全反射镜,把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观察光子飞来的方向,我们可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。


但是,我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜,这又会造成光子的自我干涉。如果我们仔细安排位相,我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消,而在一个确定的方向输出。这样的话我们每次都得到一个确定的结果(就像每次都得到一个特定的干涉条纹一样),根据量子派的说法,此时光子必定同时沿着两条途径而来!

总而言之,如果我们不在终点处插入半反射镜,光子就沿着某一条道路而来,反之它就同时经过两条道路。问题是,是不是要在终点处插入半透镜,这可以在光子实际通过了第一块反射镜,已经快要到达终点时才决定。我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生!这就产生了未来决定历史的悖论!

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”!惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点,龙的头和尾巴(输入输出)都是确定的清晰的,但它的身体(路径)却是一团迷雾,没有人可以说清。

        延迟选择实验甚至在宇宙尺度上也具有可操作性。1979年月29日,瓦尔希(Walsh)等人用2.1米光学望远镜发现了一对相距5.7角秒的类星体0957±561A,B。它们的亮度差不多。等级均为17等,光谱中有相同的发射谱系,谱线的宽度和强度相同。它们曾被认为是两个不同的类星体。二者分开的视角是6弧秒。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。而这个双像成为在地球上进行宇宙尺度的延迟选择实验的天然光源。惠勒提出了一个实验装置,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,就可以完成星际规模的延迟选择实验。也就是说,我们是否插入第二块半镀银镜B,将决定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推翻。

      我们的世界的本质到底是什么?微粒子匪夷所思的行为到底是由什么力量导致的?在此,我联想到一个画面,当上帝作为一位程序员在编写一个虚拟现实世界时,他在编写组成这个世界最基本的微粒子类库时,用代码赋予了该对象这些行为特性,其中考虑到了虚拟世界中当发生观测微粒子时,微粒子所展现出来的行为特点。


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