細思極恐！量子延遲擦除實驗，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？這在經典物理中當然是不可能發(fā)生的，但是在量子力學的一些實驗中則會“發(fā)生”。

這就是著名的延遲選擇量子擦除實驗。網(wǎng)上關于這個實驗的變種有很多，解讀也有很多，但是具有嚴謹性的少之又少。最近很多人讓我講這個實驗。我此前不愿講這個實驗，是因為這個實驗的結果已經十分明確，在科學界幾乎沒有異議了，即便是延遲擦除實驗，也無法逆轉因果律，過去發(fā)生的事件是無法改變的。

網(wǎng)上關于這個實驗的解釋很多都是“驚悚”“恐怖”“逆轉因果”甚至可以改變歷史，回到過去。

當然，這些說法大都是錯的。

本期文章將十分詳細的解讀這一實驗的內在邏輯，搞清楚延遲選擇量子擦除實驗為何“詭異”。

在介紹這個實驗之前，大家務必明確知道一個基本的量子概念，那就是波動性。

波動性就是說，微觀世界的所有粒子，本質上都是波。至于我們常說的波粒二象性，粒子即是波也是粒子性，這并不嚴謹。因為波才說粒子的真實圖樣，粒子性只是表象而已。所謂的粒子性只是由于原本的波動性受到外部干擾，比如能量攝入，導致波態(tài)坍塌成比較聚集的局域波，這個局域波就更像一個粒子態(tài)而已。

只要深刻認識到這一點，不管是雙縫干涉實驗還是延遲選擇量子擦除實驗，都可以輕松理解。

對于單光子雙縫干涉實驗來說，我們一次只能發(fā)射一個光子，這個光子本質是波，所以波肯定會同時經過雙縫，自然而然地也會進行干涉，要注意，單個光子在抵達屏幕前都是波態(tài)。抵達屏幕時之所以會表現(xiàn)出一個點狀圖案，是因為光子的波動性在抵達屏幕時會撞擊屏幕，這種撞擊本身就是外界能量干擾了波動性，使其坍塌成所謂的粒子性。

而僅憑一個光子經過雙縫，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，只需將光子的波動性破壞掉即可。而破壞波動性的方式就是用外界能量干擾光子。比如在光子的波動性抵達雙縫之前，加一個探測器，這個探測器要獲取光子的信息就必然會發(fā)射粒子撞擊光子，這種撞擊行為就會導致光子波動性坍塌，所以只要是任何測量行為，光子的波動性都會坍塌，從而喪失波動性，表現(xiàn)成粒子性(更聚集的波)，所以光子再經過雙縫時，就不再波，也就不會同時經過雙縫，而只能選擇其中一個縫通過，所以在屏幕上就不會出現(xiàn)干涉圖案。

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

當然，物理學家還是很聰明的，就會想方設法設計一種既不探測光子，還能看到粒子經過雙縫的實驗。

實驗的大致思路是這樣的，先讓單個光子經過雙縫，然后再將這個光子通過某種方式變成兩個糾纏光子，其中一個糾纏光子先抵達屏幕，隨后再觀察另一個糾纏光子，這樣就能在不破壞光子波動性的前提下，得知光子經過雙縫時的信息。

詳細過程是在雙縫后面加一個bbo晶體，單個光子穿過雙縫后，再通過bbo晶體就會變成兩個糾纏光子，其中每一個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粒子，它們之間基本上都會保持糾纏態(tài)。

另外，單個光子的能量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糾纏粒子，只能是頻率減半。

隨后在bbo晶體后面布局5個探測器。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，所以兩個糾纏光子中的一個永遠都是先抵達探測器1的。為了后面方便區(qū)分，我們將先抵達探測器1的光子稱為第一個糾纏光子。而第二個糾纏光子隨后會抵達另外四個探測器中的一個

現(xiàn)在我們再仔細看一下這個實驗裝置的布局。

在最左邊是單光子發(fā)射器，然后是雙縫擋板，其中一個上縫，一個下縫。

如果光子只經過上縫，那么在抵達bbo晶體時，分裂成兩個糾纏光子，其兩個糾纏光子的路徑就是紅色虛線標記的，如果光子經過下縫，那這兩個糾纏光子的路徑就是藍色虛線。

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

這是因為第二個糾纏粒子都會先通過分光鏡，這個分光鏡會將糾纏光子的路徑以相同概率隨機分配到三個不同的方向。比如上縫的第二個糾纏粒子會被隨機引導到2，4，5號探測器上。

下縫的第二個糾纏粒子會被隨機引導到3，4，5號探測器上。

你會發(fā)現(xiàn)，不管是經過上縫還是下縫的第二個糾纏光子都有可能抵達4和5號探測器，但唯獨2和3號探測器是明確的，也就說能抵達2號探測器的光子必然通過了上縫，因為通過下縫的糾纏光子沒有抵達2號探測器的路徑，同理，抵達3號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過雙縫時的具體路徑，這就相當測量了光子，所以2或3號探測器就不會呈現(xiàn)干涉條紋。

這時候我們再用粒子波動性整體分析一下這個實驗。首先，一個光子從發(fā)射器出發(fā)，這時候光子還未被干擾，所以光子就是波，在抵達雙縫后，光子依舊是波，隨后通過bbo晶體，光子被分裂成兩個糾纏光子，這種分裂就是一種干擾的行為，事實上，光子波動性在經過bbo晶體時就已經喪失了。即便光子已經變成兩個糾纏光子，那么在探測器上也不會出現(xiàn)干涉條紋。所以第一個糾纏光子在抵達探測器1時，永遠不會出現(xiàn)干涉條紋。

這里要注意一下分光鏡，有人可能認為這些分光鏡也會干擾光子的波動性，其實并不會，分光鏡的本質只是改變光子方向，經過分光鏡的光子嚴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)是不會改變的。其實也沒必要區(qū)別所謂的原來和后來，這只是語境上的區(qū)分。

所以在整個實驗中，唯一會導致光子波動性坍塌的設備就是這個會制備糾纏光子的bbo晶體。

于是所有光子在抵達任何一個探測器前，其波動性就已經坍塌了，理論上所有探測器都不會出現(xiàn)干涉條紋的，先記住這個結論。后來之所以會出現(xiàn)干涉條紋只是假象而已。

由于探測器1 距離雙縫最近，所以第一個糾纏粒子永遠先抵達探測器1，而探測器1屏幕上則是永遠會是非干涉圖案。由于第二個糾纏光子抵達屏幕會晚一些，所以就有延遲，這就是延遲擦除實驗的延遲性。

對于第二個糾纏光子，如果它抵達探測器2，則說明來自上縫，如果抵達探測器3，則說明來自下縫，對于抵達探測器2或3的光子，這時候我們已經明確知道光子的路徑信息，這就相當于測量，所以必然也會顯示非干涉圖案。

而如果光子抵達探測器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。因為通過上縫和下縫的光子都有可能抵達探測器4和5。這時候路徑信息好像就被擦除了，這就是延遲擦除實驗的擦除性。

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性，所以在探測器4和5上就是干涉條紋。于此同時，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屏幕上的圖案已經是過去發(fā)生的事，怎么會根據(jù)第二個糾纏光子后來選擇抵達哪個探測器而發(fā)生改變。

在這里，或許就有人會說，你看吧，量子延遲擦除實驗已經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)了不對勁。

因為前面已經說了，光子波動性在經過bbo晶體時就已經坍塌，隨后任何一個探測器也不應該出現(xiàn)干涉條紋。

如果我們把五個探測器上的圖案都展示出來，就會發(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。

仔細觀察就會發(fā)現(xiàn)，探測器4和5的干涉條紋并不一樣，而恰恰相反。4號探測器的波峰對應5號探測器的波谷，而且這種關系嚴格對應。如果將它們之間疊加在一起，就會合成非干涉圖案。

為什么會這樣？

其實答案很簡單，光子波動性在經過bbo晶體的時候就已經坍塌，后面任何探測器接收到的圖案本質都一定是和探測器1一樣的非干涉圖案。而我們自以為通過聰明而巧妙的實驗設計回避了測量。以為只要光子抵達探測器4或5就能擦除路徑。殊不知，這樣做只會讓本來是非干涉的圖案以相同的概率隨機分成四份，探測器2和3各占四分之一個非干涉圖案(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。

嚴格來說，2，3，4，5號探測器本來就屬于一個探測器，這些探測器本來都是對第二個糾纏光子的測量，而第二個糾纏光子的圖案本質就應該和第一個糾纏光子的d1圖案一樣。但是我們將這個探測器拆分成四個，而粒子會隨機抵達這四個探測器，所以原本的非干涉圖案就會被四個探測器隨機拆分，其中兩個干涉圖案只是被拆分后的結果而已。

還有一個問題是，為什么第二個糾纏光子抵達探測器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。

事實上，探測器1上的非干涉圖案一直沒有改變，但由于1號探測器的光子與4和5號探測器的光子存在糾纏關系。我們隨后在檢查探測器1上的圖案會提取和探測器4和5一樣的圖案。

換句話說，探測器1在分析數(shù)據(jù)時，會將具有糾纏關系的圖案單獨提取出來，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。

事實上，所謂的延遲擦除實驗并沒有改變過去。這只是實驗設計的缺陷導致的。但這種缺陷非人力所能及。本質上，人類還無法找到絕對沒有干擾的延遲擦除實驗。或者嚴格來說，自然規(guī)律就不允許無干擾的量子擦除實驗的出現(xiàn)。延遲擦除量子實驗本質上和海森堡的不確定性原理一樣，并不是科技水平導致的，而是量子世界的內稟屬性。