
今天我们讲延迟选择实验,这是我觉得关于量子的科普里边最需要澄清的两件事之一,另一件是量子纠缠,下次讲。为什么大家对延迟选择感兴趣?因为有一些科普博主对这个实验的介绍有点儿吓人。怎么说的呢?我们不妨先听一听吓人的版本。
说,一个光子处于走左边路径和右边路径叠加的状态,所以在屏幕上形成干涉条纹。然后我想搞清楚,光子到底走的是左边的路径,还是右边的路径呢?
所以,现在我在狭缝和屏幕之间,放个摄像机,来测量一下,看一下光子到底走左边还是走右边?这个摄像机测量了光子的状态,测到了就是光子走右边,被摄像机吸收,要不然通过排除法,光子走左边。通过这个摄像机,我们就知道光子走左边还是走右边,走左边的光子打到屏上,没有走右边的路径跟它干涉,所以屏幕上没有干涉条纹,没什么奇怪的对吧?
下面,好玩儿的事儿。如果大家不懂点儿量子力学,甚至可能觉得是见证奇迹的时刻。假如说,光子已经飞过了狭缝,已经过来了,但是还没到摄像机的时候,我选择突然把摄像机拿走了。然后光子打到屏幕上,屏幕上有干涉条纹没有?
对于光子来说,我把摄像机拿走了,相当于没有摄像机,光子就是经历了最简单版本的双缝干涉,所以屏幕上有干涉条纹。
但是,你可能问了,光子已经经过狭缝了,要是有摄像机的话,它已经现形了,已经定下来走左边还是右边了,然后我才选择拿走摄像机的。我不拿走摄像机,光子就只走左边或者右边,光子已经过了狭缝,我才选择拿不拿走摄像机,我拿走摄像机,光子就两条路同时走了?
这是不是说,我选择拿走摄像机的行为,改变了过去已经发生过的事实,比如光子本来只走右边,一看,欸,摄像机没了,还谁能管我?还谁能管我?我退回去重走,我左边右边同时走,是这样的吗?
其实,根本没有那么神秘。我选择拿走摄像机的行为,没有改变过去的任何事情,
问题出在哪?首先,前面我对观测事实的描述,有摄像机就没有干涉条纹,选择拿走摄像机,就又有干涉条纹了,这些对观测事实的描述都没有问题。问题出在我们对实验的解释。我们对实验的哪条解释,把我们自己搞糊涂了呢?如果大家看过我前两期,大家可能已经知道答案了。摄像机可以看成是对光子位置的测量。测量之前,光子本来是处于走左边和走右边的叠加状态。也就是说,直到光子的叠加态波函数到达摄像机这个位置之前的一瞬间,光子还是处于走左边和走右边叠加的状态,无论有没有摄像机,光子都是处于叠加状态。无论有没有摄像机,你问光子“通过哪个缝”这个问题都不存在答案,就好比你在问1.5是1还是2一样。
区别只有一点:如果你放了摄像机,摄像机无论是捕捉到了光子,还是光子跑的另一边,摄像机没有捕捉到光子,摄像机都是对原本叠加的状态进行了测量,原本叠加的状态坍缩了,所以,屏幕上没有干涉条纹。也就是说,我放不放摄像机,根本没有改变过去。没有任何吓人的地方。
如果你前面感觉吓人,问题出在哪儿?出在如果你通过摄像机看到了光子,你可能去“脑补”,我在这里看到了光子,这个光子以前一定是通过的右边这条缝。你推定光子以前通过右边,然后你忽然拿走摄像机,光子又变成同时走两边,这就吓人了。
但是,你在右边看到光子,然后你说,光子只通过右边这条缝,这个“脑补”它并不是事实。不管有没有摄像机,光子到达摄像机的位置之前是处于叠加态的,不存在只通过左边还是右边这个问题。所以这是我们的脑补遇到了问题,不是量子系统本身的问题。
我还想说一点,就是对于延迟选择,一些科普文章在网上传播,引起了误解,这件事情其实科普作者也很冤枉。他们可能是看了原始的科研论文,才来这么给大家科普的。因为这方面很多科研论文,包括二十一世纪的论文,就是用波粒二相性的语言写的。波粒二象性是对的,但是因为这个描述本身模糊,就容易让我们想问题的时候混杂脑补,想不清楚。看过我前两期的朋友可能有个问题,你不是说现在科研论文不怎么用波粒二相性的语言了吗?问题就在这,那些少数还在使用波粒二相性语言的科研论文,就是这些搞双缝干涉,延迟选择的论文。就我个人而言,我准备科普延迟选择这几天,读的拿波粒二象性开篇的论文,比我之前,从学物理算起读到的总和,还要多得多。这些论文为什么这么写?你要是上来就讲这个实验不奇怪,但是我还是做了这个实验,大家看一下我的结果啊。你说这个论文还能不能发 science nature ?所以他们要说他们解决了可以追溯到一百年前的问题,尽管我们现在已经有更好的语言来描述这些问题了。有时候你想深入理解科学,你就要理解科学共同体的一些行为,要把科学家当成人来看,才能理解科学共同体的行为。
但是既然说到这儿,我又要再澄清一点,我虽然对延迟选择方面论文的写法有点意见,但是并不是说,当代量子力学研究都是故弄玄虚啊,不是这样的。延迟选择这个事儿本来就不是当代量子力学的核心问题,像量子信息,量子计算这些进展,比延迟选择深刻得多。
最后,划个重点,光子的波函数,从双缝出来以后,到达摄像机所在的位置之前,是没有坍缩的。这个过程中你问光子走那条缝没意义。即使在摄像机上,光子波函数了,看起来光子好像是从右边或者左边来的,你去问坍缩之前,光子走左边还是右边的缝,仍然没有意义。只要我们不做没意义的事情,延迟选择实验一点也不奇怪。
最后的最后,有的朋友可能说,欸,我看到的延迟选择实验和你说的不一样,我看到的是长这个样子的,没错,这是另一个版本的延迟选择实验,这个实验还有一个别名,叫量子擦除,我不太喜欢这个名字,我觉得它哗众取宠。为什么哗众取宠?接下来,我们先讲量子纠缠,再回过头来手撕量子擦除。
