我们是否可以用未来的选择来改变过去的事件呢?在经典物理学的观点中,这是不可能的,因为时间是单向流动,过去已经发生的事情无法被改变,未来还没有发生的事情无法被预知。但是,在量子物理学的世界里,却有一些令人惊讶的实验表明,这似乎是可能的。其中一个就是著名的量子延迟擦除实验。那么,未来真的可以改变过去吗?
要理解量子延迟擦除实验,我们要回顾一下双缝干涉实验,这是一个经典的物理学实验,也是量子力学的基础实验之一。双缝干涉实验的原理非常简单,我们将一束光通过一个屏幕,这个屏幕上有两个缝隙,然后我们观察光在另一个屏幕上形成的图案。如果光是一种波,那么我们会看到一个明暗相间的条纹图案。这是由于光从两个缝隙出来后会发生干涉,形成波峰和波谷,在屏幕上形成明暗相间的条纹。如果光是一种粒子,我们将会看到两个亮点,对应于两个缝隙的位置。这是因为粒子只能通过一个缝隙,不会发生干涉。实验结果表明,光既表现出波的性质,也表现出粒子的性质,这取决于我们是否观察它。如果我们不去观察,我们会看到条纹图案,说明光表现出波的特性。如果我们尝试去观察光,我们会看到两个亮点,说明光表现出粒子的特性。这就是著名的波粒二象性,也是量子力学的核心概念之一。
量子延迟擦除实验是在双缝干涉实验的基础上,增加了一些复杂的元素,使得实验的结果更加令人惊讶和难以理解。量子延迟擦除实验的详细过程是在双缝后面加一个非线性晶体,这个晶体有一个特殊的功能,就是它可以把一个光子变成两个光子,这两个光子之间有一种特殊的联系,它们的状态总是相互关联的,不管它们相距多远,如果我们测量了其中一个光子的状态,我们就可以立刻知道另一个光子的状态,这就是量子力学的另一个奇妙现象量子纠缠。我们把这两个光子分别叫做信号光子和影子光子,信号光子是用来做干涉实验的,而影子光子是用来携带路径信息的。我们把信号光子引向一个探测屏1,而把影子光子引向另一个方向,让它们经过一些光学仪器,最后到达另外四个探测器,分别叫做探测器2,3,4,5。我们要注意的是,探测器1距离非线性晶体最近,所以信号光子总是先抵达探测器1,而影子光子则要晚一些才能抵达其他的探测器。那么,影子光子的路径信息是怎么测量或者擦除的呢?
我们先来看看测量的情况。影子光子在经过非线性晶体后,会被一个分光镜分成三个方向,分别对应于左缝,右缝,或者两缝都有可能。如果影子光子来自左缝,它会被引导到探测器2,4,5中的一个,如果来自右缝,它会被引导到探测器3,4,5中的一个。我们可以看到,只有探测器2和3是确定的,也就是说,如果我们在探测器2上发现了一个影子光子,我们就可以肯定它来自左缝,同理,如果我们在探测器3上发现了一个影子光子,我们就可以肯定它来自右缝。这就相当测量了光子,所以2或3号探测器就不会呈现干涉条纹。如果光子抵达探测器4或者探测器5,我们就无法得知光子到底来自左缝还是右缝。因为通过左缝和右缝的光子都有可能抵达探测器4和5。这时候路径信息好像就被擦除了,这就是延迟擦除实验的擦除性。由于路径信息被“擦除”,这就意味着我们没有测量过光子,那么光子还具有波动性,所以在探测器4和5上就是干涉条纹。于此同时,原本在探测器1屏幕上的非干涉图案随即变成了干涉条纹。
这些结果与我们的直觉完全相反,似乎违反了因果律。难道真的可以通过未来的选择来改变过去的事件?答案是否定的。我们并没有真正地观察到过去的事件发生了改变,而只是在后来的测量中获得了更多的信息。这些信息使得我们可以从不同的角度来理解和解释过去的事件,但并不改变过去的事件本身。为了理解这一点,我们需要注意一个重要的事实,那就是当我们用非线性晶体转换光子时,光子的波动性就已经坍缩了,后面任何探测器接收到的图案本质都是和探测器1是一样的非干涉图案。而所谓的干涉条纹只是假象而已。需要注意的是,2、3、4和5号探测器实际上属于同一个探测器,它们本应对影子光子进行测量,而影子光子的图案本质上应与信号光子的图案相同。为什么影子光子抵达探测器4和5后,探测器1上原本的非干涉图案也变成了干涉条纹?原因是1号探测器的光子与4号和5号探测器的光子存在纠缠关系,当我们检查探测器1上的图案时,会提取出与探测器4和5相同的图案。从而与探测器4和5保持同步,这就好像出现了干涉条纹。事实上,探测器1上的非干涉图案一直没有改变。
这就是量子力学的非局域性和不确定性的体现。量子力学告诉我们,量子系统的状态不是固定的,而是取决于我们的测量。而测量不仅仅是一个物理过程,也是一个信息过程。我们通过测量来获得量子系统的信息,从而确定量子系统的状态。而这个信息的获取和处理,是在一个特定的时空背景中进行的,也就是说,它受到时空的限制。我们不能在没有信息的情况下,就确定量子系统的状态,也不能在没有时空的情况下,就获取和处理信息。所以,我们不能说未来可以改变过去,而只能说未来可以帮助我们理解过去。看到这里,你们怎么认为呢!欢迎大家一键三连,本期内容就到这里了,感谢大家观看。
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