易坊好文馆

  1. 首页 > 生活百科 >

物理学揭示的因果迷宫究竟通向何方？( 二 )


惠勒延迟选择实验
除了神圣的热力学第二定律之外，另一个对交易诠释更直接的挑战来自著名的“惠勒延迟选择实验”。这个实验需要一台马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer，MZI）。其中的半反半透镜有50%的概率反射光子，也有50%的概率让光子透射。在下图中，光子选择上光路或下光路的概率各半，两个接收屏A和B也各有50%的概率可以记录到光点。当在干涉仪中增加第二个半反半透镜之后，上光路与下光路就会在此处交叠干涉。通过调节第二个半反半透镜的位置，可以使干涉结果恰好满足所有出射光子都必然只到达B屏，而A屏则永远没有亮点。
物理学揭示的因果迷宫究竟通向何方？
文章插图
这两种情形，用交易诠释都非常容易解释。前一种情形中，假设在t时刻光源向正反时间方向同时发出询问波：“谁能接收我的光子？”在t±?t时刻，两块接收屏获知了问询，并发出了应答波：“我可以接收！”应答波同样向正反时间方向同时发出。于是在t时刻，光源面前摆着4个权重相同的握手机会，选中A屏或B屏的概率各占50%。后一种情形中，由于路径中存在干涉，光源发出的询问波只能到达B屏，而A屏从未获知问询，自然就不会给出应答，更不可能无端接收到光子。
物理学揭示的因果迷宫究竟通向何方？
文章插图
然而惠勒延迟选择实验的微妙之处在于，②号透镜是在t时刻之后，t+?t时刻之前，才被摆放入位。如果交易诠释是正确的，那么t时刻之后才出现的②号透镜应该不会影响在t → t-?t → t这个时间段内的“商讨”过程，所以接收屏A应该仍有25%的概率出现亮点。
可惜实验结果显示，即使在t时刻之后才出现②号透镜，A接收屏仍然一片漆黑全无亮点，全部光子都100%的到达了B接收屏，这也就基本否定了光子在正式传播之前存在前置环节的可能性。
需要特别说明的是，惠勒延迟选择实验虽然否定了交易诠释，但并没有否定逆向传递的因果关联。下面让我们放下诠释问题，只用常识性逻辑再仔细理解一下实验结果：我们是在光子已经通过①号透镜之后再摆放②号透镜，按说此时光子应该已经在上光路和下光路之间做出了选择，而不应该是脚踩两条船的状态。但此时②号透镜的出现，居然还是产生了干涉，又说明光子似乎在做出选择之后还能后悔并重新回到脚踩两条船的状态。如果把“是否出现②号透镜”作为“因”，把“通过①号透镜后的状态”视为“果”，显然在时间序上就出现了“果”在前“因”在后的情况。
可见这个实验中的逆时间因果关联更直接明显，只是交易诠释原本希望借助逆时间前置波的引入，将量子事件重新梳理成工整的经典因果序列，而惠勒延迟选择实验则无情地宣判了这种努力的失败！这个实验后续还出现过许多变种版本，例如“量子擦除实验”也曾引起大量关注。关于这些实验的各种解读和争论，也直接推助了量子信息理论的蓬勃发展。
非定域性与纠缠
其实物理学家们很早就意识到，量子系统中存在违背经典常识认知的特殊相互影响，其古怪的性质使人很难再用“因果”（causation）来称呼这种关系，只能退而求其次用“关联”（correlation）来称呼它们。一些关联就像鸡和蛋的关系一样，已经无法分清孰前孰后了，甚至在一般情况下，甲先于乙和乙先于甲这两种顺序是叠加着同时存在的。在量子信息理论中，这被称为“非确定因果序”（indefinite causal order）。
由于因果序的不确定，量子系统的行为表现自然就可能展现出某种程度的异样。这些在测量结果中出现的异样成分，被称为“非定域性”[2]（nonlocality）。通俗地说，就是我们只能以整体的视角看待系统的状态变化，即使系统中的各部分“类空”分离，他们之间仍然保持着神秘的默契，一起齐心协力地为系统的表现做出贡献。而且这种默契并不依赖任何相互通风报信的机制，就可以保持协调一致，所以“非定域性”并不意味着超光速的信号传递，也不会违背相对论划定的时空规则。
这个描述很容易使人联想到另一个名词，那就是“纠缠”（entanglement）。没错，量子非定域性与量子纠缠确实是一对紧密联系的概念，一些科普文章中也经常将二者混为一谈，但在专业人士的嘴里，尤其是量子信息理论中，二者有着非常明显的区别。
如果我们把一个系统的量子态比喻为一个复杂有机分子，那么谈论纠缠就像是在谈论这个有机分子的成分和结构，而说到非定域性则像是在说这个分子的生物活性。也就是说，纠缠所描述的是系统的量子态由哪些更基础的态构成，以及这些更基础的态之间是以什么样的姿态拼接在一起；而非定域性则是指量子态所表现出的对经典局域因果规则（也就是普通的常识认知）的破坏能力。

推荐阅读


上一篇：中国天文学家的最新发现，黑洞理论或被改写，人类天文史上的进步

下一篇：中国嫦娥4号发射月球，周围竟出现了巨大物体，重达2180万亿吨