細(xì)思極恐！量子延遲擦除實(shí)驗(yàn)，未來改變過去？背后真相到底是什么

未來可以改變過去的事嗎？這在經(jīng)典物理中當(dāng)然是不可能發(fā)生的，但是在量子力學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)中則會(huì)“發(fā)生”。

這就是著名的延遲選擇量子擦除實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)上關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的變種有很多，解讀也有很多，但是具有嚴(yán)謹(jǐn)性的少之又少。最近很多人讓我講這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我此前不愿講這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果已經(jīng)十分明確，在科學(xué)界幾乎沒有異議了，即便是延遲擦除實(shí)驗(yàn)，也無法逆轉(zhuǎn)因果律，過去發(fā)生的事件是無法改變的。

網(wǎng)上關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)的解釋很多都是“驚悚”“恐怖”“逆轉(zhuǎn)因果”甚至可以改變歷史，回到過去。

當(dāng)然，這些說法大都是錯(cuò)的。

本期文章將十分詳細(xì)的解讀這一實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在邏輯，搞清楚延遲選擇量子擦除實(shí)驗(yàn)為何“詭異”。

在介紹這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，大家務(wù)必明確知道一個(gè)基本的量子概念，那就是波動(dòng)性。

波動(dòng)性就是說，微觀世界的所有粒子，本質(zhì)上都是波。至于我們常說的波粒二象性，粒子即是波也是粒子性，這并不嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)椴ú耪f粒子的真實(shí)圖樣，粒子性只是表象而已。所謂的粒子性只是由于原本的波動(dòng)性受到外部干擾，比如能量攝入，導(dǎo)致波態(tài)坍塌成比較聚集的局域波，這個(gè)局域波就更像一個(gè)粒子態(tài)而已。

只要深刻認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，不管是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)還是延遲選擇量子擦除實(shí)驗(yàn)，都可以輕松理解。

對(duì)于單光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)來說，我們一次只能發(fā)射一個(gè)光子，這個(gè)光子本質(zhì)是波，所以波肯定會(huì)同時(shí)經(jīng)過雙縫，自然而然地也會(huì)進(jìn)行干涉，要注意，單個(gè)光子在抵達(dá)屏幕前都是波態(tài)。抵達(dá)屏幕時(shí)之所以會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)點(diǎn)狀圖案，是因?yàn)楣庾拥牟▌?dòng)性在抵達(dá)屏幕時(shí)會(huì)撞擊屏幕，這種撞擊本身就是外界能量干擾了波動(dòng)性，使其坍塌成所謂的粒子性。

而僅憑一個(gè)光子經(jīng)過雙縫，也無法在屏幕上呈現(xiàn)出干涉圖案。只需多次發(fā)射單個(gè)光子，這樣就可以在屏幕上呈現(xiàn)較為清晰的干涉圖案。

如果想要干涉圖案消失也很簡單，只需將光子的波動(dòng)性破壞掉即可。而破壞波動(dòng)性的方式就是用外界能量干擾光子。比如在光子的波動(dòng)性抵達(dá)雙縫之前，加一個(gè)探測器，這個(gè)探測器要獲取光子的信息就必然會(huì)發(fā)射粒子撞擊光子，這種撞擊行為就會(huì)導(dǎo)致光子波動(dòng)性坍塌，所以只要是任何測量行為，光子的波動(dòng)性都會(huì)坍塌，從而喪失波動(dòng)性，表現(xiàn)成粒子性(更聚集的波)，所以光子再經(jīng)過雙縫時(shí)，就不再波，也就不會(huì)同時(shí)經(jīng)過雙縫，而只能選擇其中一個(gè)縫通過，所以在屏幕上就不會(huì)出現(xiàn)干涉圖案。

現(xiàn)在的問題是，在單光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，我們只能推測粒子同時(shí)經(jīng)過了雙縫，但是沒有真正看見過粒子到底是怎樣經(jīng)過雙縫的，如果我們非要看到粒子究竟是如何經(jīng)過雙縫的，就必須加探測器，而只要一部署探測器，粒子波動(dòng)性就會(huì)坍塌，就不會(huì)同時(shí)經(jīng)過雙縫。所以我們好像永遠(yuǎn)都看不到粒子同時(shí)經(jīng)過雙縫時(shí)的場景。

當(dāng)然，物理學(xué)家還是很聰明的，就會(huì)想方設(shè)法設(shè)計(jì)一種既不探測光子，還能看到粒子經(jīng)過雙縫的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的大致思路是這樣的，先讓單個(gè)光子經(jīng)過雙縫，然后再將這個(gè)光子通過某種方式變成兩個(gè)糾纏光子，其中一個(gè)糾纏光子先抵達(dá)屏幕，隨后再觀察另一個(gè)糾纏光子，這樣就能在不破壞光子波動(dòng)性的前提下，得知光子經(jīng)過雙縫時(shí)的信息。

詳細(xì)過程是在雙縫后面加一個(gè)bbo晶體，單個(gè)光子穿過雙縫后，再通過bbo晶體就會(huì)變成兩個(gè)糾纏光子，其中每一個(gè)糾纏光子是原來光子能量的一半。在這里，我得解釋一下，糾纏光子其實(shí)還是比較容易制備的，只要原先的粒子通過某種方式分裂成兩個(gè)粒子，它們之間基本上都會(huì)保持糾纏態(tài)。

另外，單個(gè)光子的能量E＝hν，h是普朗克常數(shù)，ν是頻率，所以光子能量減半成兩個(gè)糾纏粒子，只能是頻率減半。

隨后在bbo晶體后面布局5個(gè)探測器。但要注意，只有探測器1距離bbo晶體最近，探測器2，3，4，5都比較遠(yuǎn)，所以兩個(gè)糾纏光子中的一個(gè)永遠(yuǎn)都是先抵達(dá)探測器1的。為了后面方便區(qū)分，我們將先抵達(dá)探測器1的光子稱為第一個(gè)糾纏光子。而第二個(gè)糾纏光子隨后會(huì)抵達(dá)另外四個(gè)探測器中的一個(gè)

現(xiàn)在我們再仔細(xì)看一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的布局。

在最左邊是單光子發(fā)射器，然后是雙縫擋板，其中一個(gè)上縫，一個(gè)下縫。

如果光子只經(jīng)過上縫，那么在抵達(dá)bbo晶體時(shí)，分裂成兩個(gè)糾纏光子，其兩個(gè)糾纏光子的路徑就是紅色虛線標(biāo)記的，如果光子經(jīng)過下縫，那這兩個(gè)糾纏光子的路徑就是藍(lán)色虛線。

不管光子經(jīng)過上縫還是下縫，通過bbo晶體變成兩個(gè)糾纏光子后，第二個(gè)糾纏光子的路徑都有三種可能。

這是因?yàn)榈诙€(gè)糾纏粒子都會(huì)先通過分光鏡，這個(gè)分光鏡會(huì)將糾纏光子的路徑以相同概率隨機(jī)分配到三個(gè)不同的方向。比如上縫的第二個(gè)糾纏粒子會(huì)被隨機(jī)引導(dǎo)到2，4，5號(hào)探測器上。

下縫的第二個(gè)糾纏粒子會(huì)被隨機(jī)引導(dǎo)到3，4，5號(hào)探測器上。

你會(huì)發(fā)現(xiàn)，不管是經(jīng)過上縫還是下縫的第二個(gè)糾纏光子都有可能抵達(dá)4和5號(hào)探測器，但唯獨(dú)2和3號(hào)探測器是明確的，也就說能抵達(dá)2號(hào)探測器的光子必然通過了上縫，因?yàn)橥ㄟ^下縫的糾纏光子沒有抵達(dá)2號(hào)探測器的路徑，同理，抵達(dá)3號(hào)探測器的光子也必然只能來自下縫。

所以只要探測器2或3亮起，那我們就可以明確得知光子經(jīng)過雙縫時(shí)的具體路徑，這就相當(dāng)測量了光子，所以2或3號(hào)探測器就不會(huì)呈現(xiàn)干涉條紋。

這時(shí)候我們再用粒子波動(dòng)性整體分析一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)。首先，一個(gè)光子從發(fā)射器出發(fā)，這時(shí)候光子還未被干擾，所以光子就是波，在抵達(dá)雙縫后，光子依舊是波，隨后通過bbo晶體，光子被分裂成兩個(gè)糾纏光子，這種分裂就是一種干擾的行為，事實(shí)上，光子波動(dòng)性在經(jīng)過bbo晶體時(shí)就已經(jīng)喪失了。即便光子已經(jīng)變成兩個(gè)糾纏光子，那么在探測器上也不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。所以第一個(gè)糾纏光子在抵達(dá)探測器1時(shí)，永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。

這里要注意一下分光鏡，有人可能認(rèn)為這些分光鏡也會(huì)干擾光子的波動(dòng)性，其實(shí)并不會(huì)，分光鏡的本質(zhì)只是改變光子方向，經(jīng)過分光鏡的光子嚴(yán)格來說雖然不是原來的光子，但后來的光子與原來的光子是全同粒子，量子屬性完全相同，所以糾纏態(tài)是不會(huì)改變的。其實(shí)也沒必要區(qū)別所謂的原來和后來，這只是語境上的區(qū)分。

所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，唯一會(huì)導(dǎo)致光子波動(dòng)性坍塌的設(shè)備就是這個(gè)會(huì)制備糾纏光子的bbo晶體。

于是所有光子在抵達(dá)任何一個(gè)探測器前，其波動(dòng)性就已經(jīng)坍塌了，理論上所有探測器都不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋的，先記住這個(gè)結(jié)論。后來之所以會(huì)出現(xiàn)干涉條紋只是假象而已。

由于探測器1 距離雙縫最近，所以第一個(gè)糾纏粒子永遠(yuǎn)先抵達(dá)探測器1，而探測器1屏幕上則是永遠(yuǎn)會(huì)是非干涉圖案。由于第二個(gè)糾纏光子抵達(dá)屏幕會(huì)晚一些，所以就有延遲，這就是延遲擦除實(shí)驗(yàn)的延遲性。

對(duì)于第二個(gè)糾纏光子，如果它抵達(dá)探測器2，則說明來自上縫，如果抵達(dá)探測器3，則說明來自下縫，對(duì)于抵達(dá)探測器2或3的光子，這時(shí)候我們已經(jīng)明確知道光子的路徑信息，這就相當(dāng)于測量，所以必然也會(huì)顯示非干涉圖案。

而如果光子抵達(dá)探測器4或者探測器5，我們就無法得知光子到底來自上縫還是下縫。因?yàn)橥ㄟ^上縫和下縫的光子都有可能抵達(dá)探測器4和5。這時(shí)候路徑信息好像就被擦除了，這就是延遲擦除實(shí)驗(yàn)的擦除性。

由于路徑信息被“擦除”，這就意味著我們沒有測量過光子，那么光子還具有波動(dòng)性，所以在探測器4和5上就是干涉條紋。于此同時(shí)，原本在探測器1屏幕上的非干涉圖案隨即變成了干涉條紋。

問題是，探測器1屏幕上的圖案已經(jīng)是過去發(fā)生的事，怎么會(huì)根據(jù)第二個(gè)糾纏光子后來選擇抵達(dá)哪個(gè)探測器而發(fā)生改變。

在這里，或許就有人會(huì)說，你看吧，量子延遲擦除實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明未來的事件可以改變過去的事。于是就有了因果律被顛覆的謠傳。

到這里，可能很多人都發(fā)現(xiàn)了不對(duì)勁。

因?yàn)榍懊嬉呀?jīng)說了，光子波動(dòng)性在經(jīng)過bbo晶體時(shí)就已經(jīng)坍塌，隨后任何一個(gè)探測器也不應(yīng)該出現(xiàn)干涉條紋。

如果我們把五個(gè)探測器上的圖案都展示出來，就會(huì)發(fā)現(xiàn)只有探測器1是完整的非干涉圖案，2，3雖然也是非干涉圖案，但卻不完整，而探測器4和5是干涉條紋。

仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，探測器4和5的干涉條紋并不一樣，而恰恰相反。4號(hào)探測器的波峰對(duì)應(yīng)5號(hào)探測器的波谷，而且這種關(guān)系嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。如果將它們之間疊加在一起，就會(huì)合成非干涉圖案。

為什么會(huì)這樣？

其實(shí)答案很簡單，光子波動(dòng)性在經(jīng)過bbo晶體的時(shí)候就已經(jīng)坍塌，后面任何探測器接收到的圖案本質(zhì)都一定是和探測器1一樣的非干涉圖案。而我們自以為通過聰明而巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)回避了測量。以為只要光子抵達(dá)探測器4或5就能擦除路徑。殊不知，這樣做只會(huì)讓本來是非干涉的圖案以相同的概率隨機(jī)分成四份，探測器2和3各占四分之一個(gè)非干涉圖案(d1)，組合在一起就是d1非干涉圖案的一半。探測器4和5各占四份之一個(gè)干涉條紋，組合在一起就是d1非干涉圖案的另一半。如果把探測器2，3，4，5組合在一起，就會(huì)共同形成探測器1的完整非干涉圖案。而其中所謂的干涉條紋只是假象而已。

嚴(yán)格來說，2，3，4，5號(hào)探測器本來就屬于一個(gè)探測器，這些探測器本來都是對(duì)第二個(gè)糾纏光子的測量，而第二個(gè)糾纏光子的圖案本質(zhì)就應(yīng)該和第一個(gè)糾纏光子的d1圖案一樣。但是我們將這個(gè)探測器拆分成四個(gè)，而粒子會(huì)隨機(jī)抵達(dá)這四個(gè)探測器，所以原本的非干涉圖案就會(huì)被四個(gè)探測器隨機(jī)拆分，其中兩個(gè)干涉圖案只是被拆分后的結(jié)果而已。

還有一個(gè)問題是，為什么第二個(gè)糾纏光子抵達(dá)探測器4和5后，探測器1上原本的非干涉圖案也變成了干涉條紋。

事實(shí)上，探測器1上的非干涉圖案一直沒有改變，但由于1號(hào)探測器的光子與4和5號(hào)探測器的光子存在糾纏關(guān)系。我們隨后在檢查探測器1上的圖案會(huì)提取和探測器4和5一樣的圖案。

換句話說，探測器1在分析數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將具有糾纏關(guān)系的圖案單獨(dú)提取出來，從而和探測器4和5保持同步。

所以就好像出現(xiàn)干涉條紋。

事實(shí)上，所謂的延遲擦除實(shí)驗(yàn)并沒有改變過去。這只是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致的。但這種缺陷非人力所能及。本質(zhì)上，人類還無法找到絕對(duì)沒有干擾的延遲擦除實(shí)驗(yàn)。或者嚴(yán)格來說，自然規(guī)律就不允許無干擾的量子擦除實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)。延遲擦除量子實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上和海森堡的不確定性原理一樣，并不是科技水平導(dǎo)致的，而是量子世界的內(nèi)稟屬性。