同样活在量⼦世界⾥,它的知名度怎么不如薛定谔的猫?

作者: 魏凤⽂ 武轶

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发布日期: 2023-05-15 12:17:39

本文介绍了量⼦力学中的一个著名假想实验——“延迟选择实验”,由约翰·惠勒提出,实验结果颠覆了传统的因果关系,展示了量子世界的奇异性。实验通过光子的粒子性和波动性展示了观察方式对量子现象的影响,这一现象被称为“惠勒猫”,与“薛定谔的猫”齐名。实验的实现和验证由法国物理学家阿兰·阿斯佩完成,进一步证明了量子力学的非经典特性。

提起量⼦,常常使⼈困惑,似乎在量⼦世界中,⼀切皆可以发⽣,颠覆了我们很多⽇常经验。

⽐如,⼀个微观粒⼦可以具有“分身术”,在同⼀个时间⾥,它可能在很多不同的地⽅现身,⼜可以在同⼀时间“坍缩”到⼀个点上;微观粒⼦还有“遁空术”,电⼦能在瞬间“隔空跳跃”;量⼦事件还可以没有因果关系,我们认为⼀个后来的“结果事件”应该受到“原因事件”的影响,⽽在量⼦世界中,因果关系被倒置了,事情的后果可能影响到产⽣后果的原因。

著名的丹⻨物理学家、量⼦⼒学的创始⼈之⼀尼尔斯·玻尔曾说:“如果量⼦⼒学还没有深刻地震撼你,那你就还没有弄懂它。”1978年1⽉28⽇,著名的美国物理学家约翰·惠勒所撰写的《量⼦理论基础》⾯世,在书⾥,惠勒提出了⼀个著名的假想实验——“延迟选择实验”,实验结果之诡谲令⼈称奇,⼈们把它与“薛定谔的猫”并称,叫它“惠勒猫”。

惠勒认为,通过这个实验,可以证实在量⼦⽔平上,现在做的事情会对以前发⽣的事产⽣影响,即⼀件事情的后果可以影响到发⽣这个事件之前的原因,也就是“后果”影响到“前因”。这本是咄咄怪事,但在量⼦事件中,却⼜⽆懈可击。惠勒的这个实验终于引起了⼈们的注意。

1983年,在⼀篇题为“没有规律的规律”的论⽂中,惠勒再⼀次提到了他的“延迟选择实验”,并从量⼦⼒学的⻆度对实验做了详细的阐述。

实验的简化装置如图所示:光源S采⽤激光,并⽤光纤作为传输媒介。A是⼀块镀银的半透半反分光⽚,从光源S发出的光束1经过半透半反⽚A后,被分成两束光2a和2b,这两束光分别经过反射镜M1和M2的反射,在没有放⼊另⼀块半透半反镀银分光⽚B时,反射光3a和3b分别被监测器D1和D2所接收。当有光⼊射时,检测器就会发出响声。

惠勒建议在3a和3b的交叉处再装⼀块半透半反⽚B,由B出来的光被分别为4和5两束,其中4是3a的⼀半反射光与3b的⼀半透射光相汇合,5是3a的⼀半透射光与3b的⼀半反射光相汇合,4和5分别是两束相⼲光的叠加。如果实验装置调节得当,4恰好是相⼲加强时,检测器D2将发出响声,此时5就恰好相⼲减弱,D1将不响,反之亦然,因此实验结果将是,两个检测器不再轮流发声,⽽只有⼀个发声,⽽另⼀个不再发声。

在20世纪80年代,率先实现“延迟选择实验”的是阿兰·阿斯佩。阿斯佩是⼀位法国实验物理学家,他成功地完成了惠勒实验检验。实验结果证明了惠勒的预⾔,即“光⼦显示粒⼦性还是波动性,将取决于我们以什么⽅式进⾏观察”,这个结论正是玻尔早年提出的。

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