传统的经典物理学告诉我们,时间是一条单向奔流的河流。过去的事情已经尘埃落定,而未来的事件尚处在未知状态;因此,无论我们如何努力,都无法逆转时间的流动。可随着量子力学的兴起,科学家们逐渐发现,这种看似坚不可摧的逻辑开始动摇。一些实验结果显示,未来的决定,竟然可能“影响”过去已经发生的事情。其中最引人注目的,便是量子延迟擦除实验”。这一实验挑战了我们对时间和因果关系的传统认知,引发了人们对未来是否真的可以改变过去的深刻思考。
为了更好地理解量子延迟擦除实验,我们需要从一个经典且基础的实验——双缝干涉实验——开始入手。这个实验不仅奠定了量子力学的基础,也彻底颠覆了我们对物质本质的传统认知。双缝干涉实验的原理相当简单直观。我们首先将一束光照射到一个带有两个缝隙的屏幕上。光通过这两个缝隙后,照射到另一块屏幕上,形成一个图案。根据经典物理的预测,如果光是一种波,那么我们会看到一个干涉条纹图案。这是因为光从两个缝隙通过时会像水波一样发生干涉,形成波峰和波谷的交替,从而在屏幕上显示出明暗相间的条纹。但如果光是一种粒子,那么情况就完全不同了。每个光子只能选择从某一个缝隙通过,不会自己和自己“干涉”。在这种情况下,我们会在屏幕上看到两个点,然而,实验结果却表明,光既表现出波的性质,也表现出粒子的性质,这取决于我们是否观察它。如果我们不去探测光子从哪个缝隙通过时,我们会看到条纹图案,说明光表现出波的特性。一旦我们尝试观测它的路径,干涉图案就消失了,光子立刻就变成了粒子,这就是著名的波粒二象性,也是量子力学的核心概念之一。而量子延迟擦除实验是在经典的双缝干涉实验基础上,增加了一些复杂的元素,使得实验结果更加令人难以理解。
在量子延迟擦除实验中,我们依然用双缝实验的装置。不过,在这项实验中,我们会在双缝之后添加了一个特殊的元素——非线性晶体。这个晶体具有一种神奇的功能:它能够将一个光子转化为两个光子,这两个光子之间存在一种神秘的联系,无论它们相隔多远,它们的状态总是相互关联。这种现象被称为量子纠缠:如果我们测量了其中一个光子的状态,就能立刻知道另一个光子的状态。在这个实验中,我们将这两个光子分别称为信号光子和影子光子。信号光子用于进行干涉实验,而影子光子则携带路径信息。实验的设置是这样的:信号光子被引导到一个探测屏(我们称之为探测器1),而影子光子则被引向另一个方向,经过一些光学仪器,最终到达另外四个探测器,分别命名为探测器2、3、4和5。需要注意的是,探测器1距离非线性晶体最近,因此信号光子总是最先抵达探测器1,而影子光子则会稍晚一些才能到达其他探测器。
那么,影子光子的路径信息究竟是如何被测量或擦除的呢?我们先来详细看看影子光子的测量情况。在经过非线性晶体后,影子光子会被一个分光镜分成三个方向,分别对应于左缝、右缝,或者同时经过两缝。如果影子光子来自左缝,它会被引导到探测器2、4或5中的一个;而如果它来自右缝,则会被引导到探测器3、4或5中的一个。可以看到,只有探测器2和3提供了明确的信息。这意味着,如果我们在探测器2上检测到一个影子光子,我们可以肯定它是来自左缝;同样地,如果在探测器3上检测到影子光子,我们就可以确认它是来自右缝。因此,在这种情况下,探测器2或3就不会显示干涉条纹,因为我们已经测量了光子的路径信息。
然而,如果光子抵达探测器4或5,我们就无法确定它到底来自左缝还是右缝,因为通过左缝和右缝的光子都有可能到达这两个探测器。在这种情况下,路径信息就仿佛被“擦除”了,这正是延迟擦除实验中所强调的擦除性。由于路径信息的“擦除”,意味着我们并没有对光子进行测量,因此光子仍然保持其波动性。这时,在探测器4和5上,我们就会看到干涉条纹的出现。更令人惊讶的是,原本在探测器1屏幕上显示的非干涉图案也随之变成了干涉条纹。这一现象与我们的直觉完全相悖,似乎违反了因果律。难道真的可以通过未来的选择来改变过去的事件?答案是否定的。实际上,我们并没有亲眼目睹过去事件发生任何改变;而是在后续的测量中,我们才能获得更多信息,从而以不同角度解读那已经发生的过程。为了深入理解这一点,我们需要关注一个重要的事实:当我们用非线性晶体转换光子时,光子的波动性已经发生了坍缩。
在这种情况下,后续任何探测器接收到的图案本质上都是与探测器1相同的非干涉图案。而所谓的干涉条纹,只不过是一种假象。值得注意的是,探测器2、3、4和5实际上可以视为同一个探测器,它们对应着影子光子,而影子光子的图案本质上与信号光子的图案相同。那么,为什么当影子光子抵达探测器4和5后,探测器1上原本的非干涉图案也会变成干涉条纹呢?原因在于,探测器1的光子与探测器4和5的光子存在纠缠关系。当我们检查探测器1上的图案时,会提取出与探测器4和5相同的图案,这正是量子力学中非局域性和不确定性的体现。量子力学告诉我们,量子系统的状态并不是固定的,而是取决于我们的测量。因此,我们不能说未来能够改变过去,而只能说未来可以帮助我们更好地理解过去。对此,你们怎么认为呢!欢迎大家踊跃讨论,感谢大家观看,我是探索宇宙,我们下期再见。