之前文章中我讲解了单电子的双缝干涉,其中主要讲解了微观粒子具有的叠加性和波动性,但是不少网友表示无法接受“叠加态”这种说法。的确!一个微观粒子同时处于多个位置,这听起来非常难以接受,因为我们长期生活在宏观世界,感受到的都是宏观世界积累下来的直觉和经验,但是微观世界却与我们的宏观世界大大的不同,这一时间很难接受也很正常。不过今天我要再谈一个实验:量子延时实验,这个实验不仅仅说明量子世界的叠加性和波动性,还挑战我们的“因果律”。
这个实验不是用电子来做实验,而是用光子来做,具体的做法也比较简单,让一束光通过一个半反半透镜(半反半透镜的功效就是光来后要么透射过去,要么反射过去,到底属于哪种情况是微观里面的随机事件),那么光有可能透射过去走路线A,也可能反射到上面走另一条路线B,虽然光分成了两条路线,但是我们可以在两条路的末端各用一个全反射镜(全反射镜就是光过来只可能反射不可透射)让这两束光再次汇聚到一起,然后看着两束光的干涉情况,如下图所示,其中终点部位就是两束光汇聚的位置。
由于一束里面包含很多光子,所以当光通过半反半透镜时,其实就会兵分两路,一路走路线A,一路走路线B,然后由于两条路线末端都有一个全反射镜在等着它们,所以兵分两路后的两支队伍,又会最终汇合到一起,这非常好理解。
下面我把实验继续改进下,就是在终点部位加两个探测器A和B,只要探测器接收到光子就会亮。假设此时我还是打一束光过去,做刚刚的实验,那么实验的图像就可能是下图所示,大家可以想象下,如果是一束光出去,然后最终探测器A和B,到底谁会亮?
其实由于一束光出去,虽然最开始兵分两路,但是两路兵后面都有一个全反射镜等着,所以两路兵会再次相交,但是请注意相交并不意味着干涉,两路兵会各自通过对方继续向前走,走向末端的探测器,所以此时探测器A和探测器B都会亮,到此为止还是很好理解。
下面我再改进下实验,此时我不打一束光了,我一次只打一个光子(别问我如何做到一次只发射一个光子,现在的技术早就可以做到了),请问此时探测器A亮还是B亮?其实由于此时只有一个光子,所以无法再兵分两路了,也就是50%概率走上面路线B,50%概率走下面路线A,最终也就造成50%概率探测器A亮,50%概率探测器B亮。所以比如你突然打一个光子过去,可能A亮,再打一个过去可能B亮,连续打1000个光子过去,最终统计结果会发现A亮和B亮次数基本一致,也就是各占一半左右,到此为止还是很好理解对不对。
我再继续改进实验,此时我在终点(也就是两束光再次汇聚处)再加一个半反半透镜,如下图所示,然后我这次先打一束光(暂时不只打一个光子),请问到底是A亮还是B亮?
其实这里我要给大家补充一个知识,光每经过一次反射相位都会反向错位,你可以不用懂这个相位的含义,总之实验结果会发现,探测器B永远亮,A永远不亮,为什么呢?因为此时我是打的一束光,不是打一个光子,所以光会兵分两路,然后经过全返镜再次汇聚时由于又多了一个半反半透镜,所以两束光又会再次兵分两路。请注意这次是两束光兵分两路,不是一束光兵分两路,所以此时会分出四束光线,其中两束走到探测器A,另外两束走到探测器B,由于此时是两束光同时往一个方向走,满足波的干涉条件了。
但是满足干涉条件,为啥探测器A就会出现干涉相消导致不亮,探测器B会干涉相涨从而变得更亮呢?大家可以仔细想想探测器A和探测器B各自所接收到的两束光。其中探测器A接收到的两束光,第一束光只经历了一次反射,相位只变一次,而第二束光却经历了三次反射,相位变了三次,所以使得这两束光刚好形成干涉相消,光直接就被消没了。但是我们看探测器B你会发现,它接收的第一束光经历了两次反射,第二束光也是经历了两束反射,所以它的两束光可以说任何时候都是一模一样,因而出现了干涉相涨,所以探测器B变得更亮,到此为止,还是在我们常规理解范围内。
我再继续改进实验,这次我不打一束光了,我只打一个光子,如下图所示,然后等光子到达终点后,再继续打下一个光子,连续打1000次,请问探测器A亮的次数,和探测器B亮的次数,是否大致一致?
按照常规来说,一次只打一个光子,光子第一次遇到半反半透镜应该会随机一条路走,等光子走到第二个半反半透镜时,再随机选择一条路走,最后到达探测器A或者B。所以一个光子其实经历了两次概率50%的随机选择,所以我们理论分析,这种情况下打1000个光子,探测器A和B亮的次数应该大概一致才对。
可是我要告诉你的是,这种情况下你去做实验你会发现,诡异的事情出现了,这1000个光子都让探测器B亮,A一次都没亮过!这是为啥?光子遇到半反半透镜明明只能随机选择一条路走,为啥探测器A一次都没亮?
哈哈,分析到这里我们才发现,其实要解释这个问题,只有一种可能:一个光子在经过第一个半反半透镜时,是同时走了两条路线,然后经历第二个半反半透镜时,再次同时走两条路线,从而使得探测器A出现干涉相消,探测器B出现干涉相涨,一个光子自己和自己产生了波的干涉,从而出现了刚刚打一束光所应该出现的效果。分析到这里,其实你如果看了我之前写的“单电子双缝干涉”文章,应该很好理解,因为微观粒子的确具备同时通过两个地方的能力,如果你没看前面这篇文章,可以先去看看,可以帮助你理解这个微观粒子诡异的行为。
到此为止实验就完了吗?不,还没有,我再改进下实验,这次我依然是每次只打一个光子,还是打1000次(注意每次必须等第一个光子到了终点,才能打下一个),但是这次第二个半反半透镜先取消掉,我等光子通过了第一个半反半透镜后,再去马上加第二个半反半透镜,请问这次探测器A亮的次数和B的次数,到底是否大概一致?
按照常规理论分析,既然光子都已经通过了第一个半反半透镜,表示光子已做出了选择,比如走路线A,做出的选择已经成为历史了不可更改,此时我再去加第二个半反半透镜,等光子到达这个后加的半反半透镜后,也应该是50%概率让A亮,50%概率让B亮,所以实验结果应该是A和B亮的次数大致相等才对。
可惜我要告诉你,这个实验做出来后,居然依然还是1000次B亮,A一次都不亮,也就是说一个光子还是出现了同时通过两条路线的现象!大家别忘记了,我可是等到光子通过了第一个半反半透镜,才去加的第二个半反半透镜的,可是光子还是同时通过了两条路线(也就是路线A和B),这说明光子虽然已经做出了路线选择,但是我们加透镜的行为,依然改变了光子的历史,让光子重新回到过去做一次选择:去同时去走两条路线。我们现在的行为居然改变了光子的过去!!!
分析到这里,你现在可以体会到量子世界的神奇之处了吧,一旦现在的行为可以改变过去,就意味着我们人类几千年积累起来坚如磐石的“因果律”被打破了,“过去”是因,“现在”是结果,可是这个实验却说明“现在”可以改变“过去”,这不就成了“现在”是因“,过去”是结果了?
以上实验现象要合理解释,目前只能说现在的行为改变了过去,其余解释都不太给力,所以我们只能暂时把这个改变历史的现象当成事实,用大侦探福尔摩斯说过的一句话:排除了一切不可能的,剩下的就算再不可思议,那也是事实!
我们的量子世界竟然如此奇妙,让我们越看越怀疑人生,越看越觉得吃惊,越看越可怕,科学的世界真是无穷无尽的探索,让我们再次对自然科学表示最诚挚的敬畏。我是《小彭来给您解惑》,如果喜欢我的文章可以关注我,如果对文章有异议可以留言评论。