为了搞清楚单个光子是如何跟自己发生干涉的 , 科学家们提出了一个想法:能不能在双缝板前面加上一个观测摄像头 , 看看每一个光子到底是从左边 , 还是从右边通过的 。 这个想法是简单直接 , 然而实验结果却是让人惊掉了下巴 。
进阶二:观察者魔咒
科学家们从双缝板前加装的摄像头中看到 , 光子就是一个一个通过双缝的 , 要么穿过左边 , 要么穿过右边 , 从来没有出现一个光子分身成两个的情况 。
也就是说 , 光子可能是在穿过双缝的一瞬间出现了波的特性 , 产生了干涉条纹 。 虽然诡异了些 , 但是光子不是有波粒二象性 。
就在众科学家准备松一口气的时候 , 有人看了一眼屏幕 , 结果吓傻了:干涉条纹不见了 , 屏幕上的图案不知道什么时候变成了两道竖杠!
摄像头关闭 , 光子就呈现出波的特性 , 干涉条纹出现 。 摄像头打开 , 光子就老老实实的显示出粒子性 , 干涉条纹消失 。 屡试不爽 。
合着光就是粒子还是波 , 取决与你开没开摄像头?这就相当于你在家看一场球赛 , 你支持的球队有没有进球 , 不取决于前锋的球技 , 也不取决于对方守门员的状态 , 而是取决于你开没开电视 。
这让我想起来 , 高中在学校上晚自习 。 只要老师不再 , 大家聊天的聊天 , 吃东西的吃东西 , 看小说的看小说 , 但老师推门的一瞬间班里立刻安静下来 , 看到的都是埋头苦学的好学生 。
这就是 , 观察者魔咒 。 这么玄学的故事竟然出现了严谨的物理学实验当中 , 当时科学家们的懵逼程度可想而知 , 但更让人懵逼的事情还在后面 。
进阶三:因果倒置
到了上个世纪七八十年代 , 物理学家的兴致被光子给调动起来了 。 1979年 , 美国理论物理学家约翰.惠勒(John Wheeler)提出了惠勒延迟选择实验(Wheeler’s delayed choice experiment) 。
此实验实际上是双缝实验的一种变形 , 内容比较复杂 , 会使用到半反半透镜 , 让光子有50%的概率穿过透镜 , 也有50%的概率被反射到其他方向 。
还有两个全反镜来改变光子的路径 , 在每条路径上架一台观测摄像机 。
详细的实验过程虽然烧脑 , 但大致可以这样理解 。 之前的双缝实验中 , 摄像机是架在双缝板前面的 , 而且要么是开的 , 要么是关的 。
这次我把摄像机放在双缝板后面 , 也就是双缝板和屏幕之前 , 而且是在光子穿过双缝之后 , 再以迅雷不及掩耳之势临时决定开还是不开摄像机 。
科学家心里打的小算盘是:光子你路都走了一半了 , 我再突然决定观察还是不观察你 , 难不成你还能突然改变你的波粒性质吗?
事实证明 , 科学家们的这点小九九在光子面前不堪一击 。 只要摄像头打开了 , 哪怕是在光子抵达屏幕前的最后一刻 , 屏幕上一定是两条杠 。 相反的 , 只要摄像头没有打开 , 屏幕上就一定是干涉条纹 。
值得一提的一点是 , 这里开不开摄像头是在光子已经穿过双缝之后再决定的 , 也就是说光子是以粒子的形态 , 还是以波的形态穿过双缝 , 在开摄像头之前应该已经定型了 , 可为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化呢?
这似乎表明了两种诡异的可能性:第一 , 光子好像能预测摄像头在未来是否会开启 。 又或者第二 , 光子能够根据未来所遇到的情况 , 修改自己的历史选择 。
传统的因果定律受到了极大的挑战 , 惠勒的延迟选择实验诉说了一个恐怖的结论 , “未来可以决定过去” 。 换种高逼格的说法就是:是我们选择了这个宇宙 , 之后宇宙才创造了我们 。
时间来到了1999年 , 这一年由Kim等人提出的“延迟选择量子擦除实验”直接把物理学家们的三观都震碎了 。
进阶四:来自未来的信息
延迟擦除实验中用了一个关键设备叫做BBO晶体 , 它的作用是吸收一个光子 , 并产生一对能量减半的孪生纠缠光子 。
关于量子纠缠我们稍后再说 , 现在只需要知道处于纠缠状态的两个粒子 , 即使相隔数光年之遥 , 他们也能够相互联系 , 就像一对双胞胎具有“心灵感应”一样 。
两个纠缠的光子分别射向不同的方向 。 一个射向屏幕 , 我们称之为信号光子(signal photon) 。 一个经过一系列反射 , 会达到D1或者D2两个探测摄像头中的一个 , 我们称之为“影光子”或者标记光子(idler photon) 。
因为信号光子和标记光子来源相同 , 所以我们只要知道标记光子是穿过了哪条缝隙 , 就相当于知道了信号光子的路径 。
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