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量子力学是否告诉你我们可以编辑过去……？

发布于：2024-06-28 编辑：匿名来源：网络

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本文来自微信公众号“中国科学院物理研究所”（cas-iop），作者：James V 斯通翻译：CC 审稿人：丹尼斯量子力学中有很多奇怪的东西，但也许是最奇怪的是它似乎允许我们对过去进行编辑。

今天我们就来聊聊这个看似违反直觉的现象。

为了理解这是如何可能的，我们需要从双缝实验开始。

双缝实验物理学家·托马斯（Thomas Young）首先进行了双缝实验，这似乎提供了明确的证据：光的行为就像波一样。

然而，双缝实验的重要性远远超出了这个证明，正如理查德·费曼（理查德·费曼）在 2011 年所说：“事实上，它包含着唯一的谜团……在告诉你它是如何工作的同时，我们已经告诉了你一切量子力学的基本性质。

”在托马斯 Young 的实验中，实验装置由带有两个垂直狭缝的挡板和一个屏幕组成，如图 1 所示。

从其中一个狭缝射出的光与从另一个狭缝射出的光发生干涉，从而在屏幕上形成干涉图案。

这似乎是光是由波组成的确凿证据。

图 1：双缝实验。

波从光源（顶部）传播到单个狭缝。

半圆形波从狭缝发出，直到到达包含两个狭缝的挡板。

从这些狭缝发出的两个半圆形波相互干涉，沿着径向线产生波峰和波谷，在屏幕上形成干涉图案（底部）。

然而，通过现代设备，我们还可以看到干涉图案由各个点组成，每个点对应一个光粒子，称为光子。

事实上，这就是著名的波粒二象性。

值得注意的是，即使光线变得如此暗淡，一次只有一个光子到达屏幕，随着时间的推移，屏幕上也会出现相同类型的干涉图案，如图 2 所示。

干扰图案可能需要数周时间才会出现。

然而，干涉图案出现的事实表明，即使是单个光子也会表现得像波。

反过来，这似乎意味着每个光子同时穿过两个狭缝，这显然是“无稽之谈”。

图 2：双缝实验产生的干涉图案（a 到 d），每个点代表一个光子。

这就提出了一个问题：光子真的只穿过一个狭缝吗？如果有的话，是哪个缝隙？光子穿过一个狭缝还是两个狭缝？在回答这个问题之前，我们先想一下，如果没有干预，我们会看到什么。

想象一下，我们关闭一个狭缝并打开另一个狭缝，以便从狭缝中发出的光子在屏幕上形成图案。

接下来，只需打开另一个狭缝，来自该狭缝的光子就会将其图案添加到屏幕上。

基于这种方法，光敏屏捕获的图像是来自每个狭缝的光子的总和，并且保证来自两个狭缝的光子不会互相干扰。

结果是如图 3 所示的衍射包络线。

图 3：测量狭缝位置（同一狭缝）会产生扩展的衍射包络线。

这里，曲线的高度代表光强度。

现在，为了回答光子是通过一个狭缝还是两个狭缝的问题，我们可以在每个狭缝处放置一个光电探测器来找出每个光子通过的狭缝。

然而，我们将考虑不同的设置，原因稍后解释。

想象一下用一排长管替换屏幕，每个长管仅指向一个狭缝，如图 4 所示。

每个管的末端都有一个光电探测器，因此它检测到的任何光子都可能来自一个狭缝。

请注意，每个屏幕位置应有一对探测器，每对中的任一探测器指向不同的狭缝。

因此，无论光子落在屏幕上的哪个位置，都会测量它源自的狭缝。

图 4：证明波粒二象性的假设实验。

如果我们使用这种假设设置，我们会发现干涉图案被上述衍射包络所取代，如图 3 所示。

因此，使用探测器来测量每个光子穿过哪个狭缝可以防止波状行为，就好像每个光子作为完全孤立的单个粒子传播。

如果两个狭缝都打开（并且不使用光电探测器），则会恢复原始干涉图案，就好像各个光子的行为就像波一样（见图 5）。

这种波粒二象性似乎表明实验的测量方式对其结果有着神秘的影响。

图 5：当两个狭缝都打开时，会出现干涉图案。

这里，曲线的高度代表光强度。

海森堡测不准原理上述结果看似违反直觉，但却与量子物理学中最著名的原理——海森堡测不准原理相一致。

它指出，原则上不可能绝对确定地知道粒子的位置和动量 - 位置测量越准确，动量测量越不准确，反之亦然（可以在此处找到更多信息）。

这并不是因为测量仪器不完善，而是因为在量子世界中，位置和动量的概念本质上是模糊的。

海森堡测不准原理基于这样一个事实：由于光和物质的行为都像波，因此可以使用傅里叶分析（处理波的主要数学工具）来处理它们。

这很重要，因为海森堡使用傅立叶分析推导出了一个数学定理，称为海森堡不等式（现在众所周知），这是海森堡测不准原理的基础。

在双缝实验中，光子通过哪条缝就可以视为光子在挡板上的位置。

由于粒子的动量决定了其运动方向，因此粒子在屏幕上的最终位置也由其动量指定（参见图 6a）。

因此，海森堡的不确定性原理（通常用位置和动量来表示）保证，减少光子通过狭缝（位置）的不确定性必然会增加屏幕位置（动量）的不确定性。

因此，位置动量的不确定性转化为双缝实验中狭缝信息和屏幕位置的不确定性。

惠勒延迟选择实验到目前为止，我们选择测量每个光子的两个不同方面：第一，测量每个光子的屏幕位置（转换成光子在狭缝处的动量）；第二，测量每个光子的屏幕位置（转换成光子在狭缝处的动量）；第二，使用一根长探测器来测量穿过的狭缝信息（转换成光子在挡板处的位置）。

精确测量光子屏幕位置意味着其补充测量（狭缝信息）是不确定的。

由于光子从挡板传播到屏幕所需的时间在实验中没有改变，因此这种不确定性使得每个光子通过两个狭缝似乎是合理的（或至少是可接受的）。

同样，当精确测量有关狭缝的信息时，似乎每个光子只穿过一个狭缝。

但我们有一个替代实验，当每个光子在狭缝和屏幕之间传播时，我们改变实验设置。

如果测量对象的选择改变了每个光子的行为，那么可以理解，我们需要在每个光子开始从挡板到屏幕的旅程之前选择测量对象。

但是，如果我们决定仅在每个光子通过狭缝但尚未到达屏幕（或管探测器）之后才测量屏幕位置或狭缝信息，会发生什么？这就是惠勒延迟选择实验，以物理学家约翰·惠勒的名字命名，如下图 6 所示。