导语：时间的不可逆性决定了时光穿梭，返回过去是一件不可能发生的事，这几乎是人们的常识，但是量子力学总能带给我们神奇的可能与解释，一个关于测量光子波粒二象性的观测实验让我们看到了这样一个令人惊讶的事实：当下的决定竟然可以决定过去事件的发生！这种时空效应似乎在告诉人们量子力学和相对论的某种隐秘的联系。
日前，由意大利帕多瓦大学的Francesco Vedovato和Paolo Villoresi领导的一个研究团队，在意大利南部的马泰拉激光测距天文台使用1.5米长的望远镜进行了一个实验，从数千公里外的卫星上发射光量子并进行测量。这场不同寻常的太空实验证实了量子力学中的一个观点，即“现实”是可以由人们选择的。
其实物理学家早已认识到，光量子呈现粒子性还是波动性取决于对它们的测量方式。不过现在，我们可以通过从卫星发射光量子的实验初步证实该结论。一个研究团队已经证实：虽然实验中似乎错过了决定光量子呈现波动性还是粒子性的时间点，但就在实验几乎全部完成时，观察者仍旧可以对其呈现形式做出选择。研究人员说，这种延迟选择实验有可能帮助人类更好地探索量子理论和相对论之间的模糊边际。
图 | 神秘的量子纠缠：万物皆有默契的可能
Villoresi指出，在这样远的距离上，物理学家不能将光从两条平行的路径发出，因为如果这样，扩散光束将重叠并合并。于是，他们在地球上用具有不同长度路径的Mach-Zehnder干涉仪发射光子。路径长度的差异会使单脉冲信号分为时间相差3.5纳秒的两个脉冲，然后再通过望远镜向太空射出。
一旦脉冲返回，实验者就会将它们再导回干涉仪。该装置可以消除时移，使得两个脉冲信号重叠并且像波一样相互干涉，或者使其倍增而不会互相干涉。为了消除时移，物理学家们必须先使用非常快的电子偏振来通过某种方式改变它们的偏振性质。如果要将时移加倍，他们只需保留其原本的偏振效应即可。
当实验者将脉冲信号重叠时，正如预期中的干涉波一样，光量子将会以两个不同的概率触发不同的检测器，这两个不同的概率与卫星后退速度有关。当脉冲不能相互干涉时，无论卫星的速度如何，光子都会像粒子一样，以相同的概率触发任意一个检测器。实验小组在10月25日《Science Advances》上刊登的报告中说，实验中至关重要的是，物理学家会在光从卫星发出后的10毫秒的往返行程中决定以何种方式进行测量，但延迟做出的决定似乎再次及时地“反馈”了回去，从而决定了光子离开第一个分束器后将呈现何种性质。
之前，其他研究者也已经在实验室中证明了相同的反直觉效应（与已有直观认知相反）。曾参与过一次类似实验的法国Palaiseau光学研究所的物理学家Philippe Grangier说，这项新的研究表明，光量子的性质在跨度为数千公里的范围内仍是未定义的。同时这也是一个非常好的实验，能够体现出该团队具备在太空中进行量子物理学实验的强大能力。
图|近日，物理学家借助意大利南部的马泰拉激光测距天文台来测试量子理论。
根据量子力学的理论，光量子既可以呈现像子弹般的粒子态，又可以呈现荡漾的波动态，但它不能同时表现出这两种特性——它究竟呈现哪种特性要取决于实验者如何去测量它。早在20世纪70年代末期，著名的理论物理学家约翰·惠勒就意识到，实验者甚至可以延迟做出这个选择，比如直到光量子几乎完全通过一些设备之后，这证明了光量子的行为是不可预测的。
慧勒曾设想通过所谓的Mach-Zehnder干涉仪一次一个地发送光子，这一方法强调了光的波动性。借助一种镜状“分束器”，干涉仪会将进入其内的光子的量子波分成两半，并将这两个波沿着不同的路径发出，就像两个人沿着相反的方向行走一样。然后，第二个分束器再重新组合这两个相互干涉的波，以将光子引流到检测器中。哪个检测器会被触发取决于两个路径长度的差异，这也正是预期中干涉波间通常会具有的情况。
光量子通常通过Mach-Zehnder干涉仪的两条路径，波动干涉可以将其分流到其中一个检测器上。移除第二个光束分离器，光量子就会像一个粒子一样，必须采取其中一条路径，不论路径长度如何，都会以相同的概率落在检测器上。Wheeler意识到，实验者甚至可以等到去除第二个分束器，等到光子通过第一个分束器之后，再进行测量。这个断言表明了一个奇怪的结论，那就是当下的选择和决策竟然决定了过去的事件：光量子是分裂呈现波动性还是通过单一路径呈现粒子性。量子理论中假设光子直到测量之前都保持着波粒二象性，从而巧妙避开了这个问题。
图|研究光量子“波粒性”的实验原理图（光量子通常通过Mach-Zehnder干涉仪的两条路径，波动干涉可以将其分流到其中一个检测器上。移除第二个光束分离器，光量子就会像一个粒子一样，必须采取其中一条路径，等可能性地碰到任一个探测器。）
联系客服
