科普：改變過去發生的事情？延遲選擇量子擦除實驗會告訴你答案

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已經發生的事情，還能被改變嗎？延遲選擇量子擦除實驗給了我們令人不安的答案。上一期我們討論了單粒子雙縫實驗的詭異結果。今天我們來談談另外一個更加詭異的實驗版本，實驗結果迫使我們重新思考因果關係本身的性質。這篇文章與上期內容密切相關，沒有看的小夥伴可以先看一下上一期《科普：量子力學的單粒子雙縫實驗，它是否隱藏著量子世界的奧秘？》，單粒子雙縫實驗表明，物體在產生與到達螢幕之間的有一種奇怪的現象，它告訴我們粒子可能並不是明確存在的，甚至不是真正的粒子。在開始與到達的這篇區域中我們無法得知粒子的位置或路徑。哥本哈根詮釋告訴我們，在這片區域中粒子只是波函式，即一個可能的屬性分佈。在波函式坍縮前，粒子只是一種機率波，它會出現干涉等類似波的性質，波函式坍縮時波與粒子發生相互轉換。可真的是這樣嗎？如果是，到底是什麼引發了這種轉換呢？

圖注：改變時間

波函式是如何坍縮的？

圖注：波函式坍縮

我們知道這個實驗最神秘的地方，在於一個非常類似粒子的物體，卻好像是以一種波的形式同時穿過兩條縫隙，物理學家們都喜歡謎題，所以他們用盡各種辦法去窺探這些粒子在產生著名的干涉條紋前穿過的到底是哪一條縫隙。最終的實驗結果發現宇宙好像在戲弄我們，任何能明確區分粒子穿過越哪條縫隙的實驗，都會破壞干涉條紋，這時的粒子只簡單的落在一團。就好像他們全程都是以普通粒子運動的一樣，無論你把探測器放在哪裡都一樣，講道理這個時候粒子明明已經與自己發生了干涉，並且在螢幕上顯示出干涉條紋，但波函式還是在這個過程中坍縮，就好像宇宙在跟光子說人類已經發現了你們走的哪條縫隙，所以乾脆假裝你們全程都是粒子狀態，但波函式坍縮這個解釋有一個很大的問題，就是想要在不破壞波的情況下測量是不可能的，干涉條紋出現是因為每條縫的波是相干的，也就是說波形間的關係是從兩條縫隙中產生的所以波峰和波谷的位置是可測的，當波向前移動時，這種相干性是使得波能產生干涉條紋的首要條件。但當你在某個波的路徑上放一些裝置時，就會破壞這種相干性，進而影響到達螢幕上的干涉圖。

圖注：延遲量子擦除實驗示意圖

詭異的延遲選擇實驗

圖注：延遲實驗結果及示意圖

我們把區分粒子穿過哪條縫隙的雙縫實驗，叫做“探測路徑”實驗，如果在縫隙後面放一個檢測器，就把它叫做“延遲選擇”實驗。物理學家不會甘心被戲弄，所以他們在保留相干性的前提下又想出了更聰明的方法來測量粒子穿過的是哪條縫隙，1999年科學家們進行了著名的“延遲選擇”實驗，這個實驗中使用了一種特殊的晶體，它能吸收入射的光子併產生兩個新的光子，每一個新光子都有原光子一半的能量，這兩個新的光子就像是孿生光子。實際上，它們是一對糾纏的光子，它們以一種奇怪的方式聯絡，稍後我們會說到他們究竟如何聯絡？我們在雙縫後放置這種晶體來使任何穿過的光子產生相干的糾纏光子對。每對中的一個發射向螢幕，用以產生干涉條紋，另一個則用來研究原光子來自哪條縫隙，讓我們先看一下圖中的探測器A和B，如果探測器A亮起，表明原光子經過的縫隙是A。探測器B亮起，表明原光子經過的縫隙是B。然後實驗中我們不停地發射光子，就會看到無論A或B探測器亮起，只要亮起我們就能發現光子是從那一條縫隙穿過的，可是詭異的現象再次出現了，我們在螢幕上得到一堆簡單的光子影象，也沒有干涉條紋出現。太奇怪了，好像只要我們想要獲得任何有關原光子來路的資訊，都會使光子在穿過縫隙時不再表現出波的性質。詭異再次出現了，實驗特意設定成一個光子先抵達螢幕，其孿生光子在這之後再抵達探測器A或探測器B，所以就是說一個光子先根據其波函式落在螢幕上，在這之後，其孿生光子再抵達探測器A或B， 就是說光子比孿生光子先發射，而孿生光子延遲到達探測器A或B，無論你延遲一天、一個月、一年都沒有用，孿生光子在到達後會以量子糾纏的方式，瞬間影響之前到未達螢幕的光子，然後螢幕上的就不會出現干涉條紋。

未卜先知的量子擦除實驗

圖注：實驗中的分光鏡

圖注：擦除實驗結果及示意圖

這簡直太不可思議了，而且我們只是對糾纏對其中的一個測量。也就意味著我們沒有擾亂另一個，所以就沒有退相干而破壞干涉條紋，但是螢幕上仍然沒有出現干涉條紋，不甘心吧，實驗還能再詭異一點嗎，告訴你可以的，別忘了這可是量子力學，隨後科學家們多加了一個實驗裝置，這個裝置就是是量子擦除器它的工作是擦除任何有關光子來路的資訊，擦除器前面放置有分光鏡，分光鏡鏡子上會有半面鍍銀，它作用是允許50%的光子透過，而另外的50%被反射，在實驗過程中會有一半的光子去向探測器C或探測器D，透過這種巧妙的安排，保證瞭如果探測器C或探測器D哪一個亮起，我們就不能再知道光子來自哪條縫隙，更詭異的現象出現了，我們看到干涉條紋又再次出現了，不去探測孿生光子的位置，我們就又能看到干涉條紋的出現，這是為什麼？好像只要我們擾亂路徑的資訊，孿生光子就會從未來向過去傳送訊息。告訴另一個光子好的，沒事了，人類丟失了我們的路徑資訊，現在又可以顯現干涉影象咯。

量子糾纏有可能改變過去嗎？

圖注：糾纏的光子

可能有的小夥伴腦袋被繞暈了，再說一下延遲實驗可以理解成在光子還沒到達螢幕時，其孿生光子便已經知道自己到達時發生的事情，並影響到達螢幕的光子。而擦除實驗這說明當我們不再去觀測孿生光子的路徑資訊時，孿生光子知道自己到達時的事情便從未來告訴另一個光子，可以顯現出干涉條紋。這就像是今天的我告訴昨天的我今天的中獎號碼是多少，然後昨天的我就會買今天的中獎號碼，而不是其他的中獎號碼，換句話說，就是我改變了過去！真是讓人太不可思議了，科學家們又把這種現象叫做量子糾纏，並且認為決方法可能在於量子糾纏的奇妙現象，糾纏的粒子真的能夠瞬間相互影響，並且其非定域性並不會違背因果律，也許它們甚至能回溯的、物理上的影響相干和退相干而不導致因果混亂，又或許我們稱之為觀察的東西只是觀察者和實驗之間的糾纏。答案是未知的，至今我們仍然無法窺探這其中的秘密，我們能做的只有接受它，並把這些技術應用到我們的生活中，相信總有一天人們會破解其中的奧秘！

非常真實的物理實驗。而且量子擦除實驗僅僅是一個入門級的物理實驗，已經完全可以作為一個教學演示實驗來玩。只要手裡有鐳射器，分光稜鏡，半波片，屏板（白紙就夠），反射鏡，還有一些光學鏡架，就完全可以自己搭一套出來。如果手裡有那麼1-2萬零花錢，可以直接去thorlabs的官網上買一套玩：https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=6957

不過這種教學演示級別的實驗做不到單光子水平，所以只能做“量子擦除”，還不夠做“延時選擇”。如果涉及到延時選擇，那必須用單光子干涉，這就遠不是教學演示實驗的水平了，而是前沿的量子光學實驗。但相對來說也不是很難的實驗，因為量子光源的成熟，進入21世紀以後，大部分量子光學領域的實驗室都可以做了。

這個實驗原理圖如下，光子從光源發出，經過第一個分光鏡，分成兩條路徑，分別用紅色和藍色表示。兩條路徑在一個點匯合。如果在匯合點不加第二個分光鏡，那麼應該或者在紅色路徑探測到光子，或者在藍色路徑探測到光子。但如果我們在匯合點再加一個分光鏡，它們會再次發生干涉。透過調整兩個路徑的相位差，會使得一個路徑完全相位抵消，使光子只能另一個路徑上被探測到。

如果我們延遲一會兒，等光子經過第一個分光鏡之後，再放第二個分光鏡，情況就變得有意思了。如果我們不接受量子力學，認為光子事先選好了路徑，那加入第二個分光鏡不會改變兩個路徑的探測機率。但實驗證實無論你是否加入延遲再放第二個分光鏡，光子都會發生干涉，最早的實驗見Phys. Rev. Lett. 84, 1（2000）。這一點所以我們只能透過量子力學解釋，即光子同時走了兩條路徑，透過波動性發生干涉，就確定了干涉後的路徑。

最近幾個比較亮點的量子延遲選擇實驗有擴充套件到百公里以上的PNAS 110 (4) 1221-1226(2013)，用糾纏光源的Science, 338, 634(2012)，用量子分束器的Nature Photonics 6, 600 (2012)等等。