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惠勒延遲選擇實驗究竟有多「反常」?

很多量子現象與人類的一般認知大相徑庭,例如,不確定性原理表明,粒子的位置和速度不可能被同時測量出來。而惠勒延遲選擇實驗更是詭異,這種現象似乎表明現在決定了過去,這與我們所知的因果律完全相反。

惠勒延遲選擇實驗其實是雙縫實驗的變形,而雙縫實驗本身就已經比較詭異了。如果讓光通過雙縫,那麼,在接收屏上將會獲得明暗相間的條紋。這很容易理解,因為光是一種波。

然而,如果把光子一個接一個的釋放出來,讓它們逐一穿過雙縫,結果還會出現一樣的干涉現象。根據量子力學的解釋,光子自身似乎發生了干涉,每個光子似乎同時穿過了兩條縫,光子仍然表現出波動性。

更讓人瞠目結舌的是,如果在雙縫旁邊裝上記錄器,用於觀測光子究竟是從哪條縫中穿過,結果乾涉條紋消失了!接收屏上只會留下兩條光路,它們是由光子穿過兩條縫時所產生的。在這種情況下,光子表現出了粒子性。因此,觀測行為改變了光子的行為。

而接下來要說的惠勒延遲選擇實驗就更讓人覺得真實的世界或許沒有那麼簡單。

如上圖所示,有一光源發出的光會經過一塊半透鏡,該半透鏡有一半的可能性讓光子發生反射,還有一半的可能性讓光子直接穿過。在反射和穿透的光路上各放置一塊全反射鏡A和B,使光子經過反射之後,兩條光路交匯到C點。在光路後方,各放置一塊接收器來觀測光子走了哪條路徑(AC或者BC)。顯然,光子走AC路徑和BC路徑的可能性都是一樣的,皆為50%。

如果在C點再放置一塊半透鏡,那麼,走BC路徑的光會發生干涉相消,而走AC路徑的光會發生干涉相長,所以最後只有AC路徑上的接收器會接收到光信號,而BC路徑上的接收器不會接收到光信號。這意味著光子同時走了兩條路徑,光子自身與自身發生了干涉,這個現象類似於上述的雙縫實驗。

但如果在光子經過第一塊半透鏡和全反射鏡之後,在C點放置一塊半透鏡,結果還是只有一塊接收器能接收到光信號,這意味著放置第二塊半透鏡的行為改變了光子的最初所走路徑。也就是說,現在的行為改變了過去,這與因果律完全相悖,因果關係完全被顛倒來過。在惠勒提出延遲選擇實驗之後幾年,物理學家在實驗室中證實了惠勒的這個思想實驗。

從一系列「反常」的量子實驗可以看出,我們所知的「現實」或許不是這個世界的本質,宇宙中還存在著更為深刻的基礎規律有待我們去發現。只有揭開宇宙更深刻的本質,人類的文明才能獲得突破性的發展。


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