互动科普

自制量子橡皮擦

撰文  拉赫尔·希尔默（Rachel Hillmer）

         保罗·奎亚特（Paul Kwiat）

翻译  王志伟 黄运锋

审校  郭光灿

量子力学向我们展示了大自然的诡异。我们在日常生活中通过感知现实形成的最根深蒂固的常识，在量子世界里，却被颠覆了：矛盾的事情可以共存，比如一个物体可以在同一时刻沿两条不同的路径运动；物体不能同时拥有精确的位置和速度；我们观察到的事物的性质遵从着无法根除的随机性，而这种随机性与我们使用的工具或眼力的好坏没有任何关系。

在量子世界中，决定论的时代已经一去不复返，原子和其他粒子不再像绿色球台上的桌球那样规则运动，相反，它们有时候表现得像波，会扩散到整个区域，并且能够彼此交叠，形成干涉图样。

然而，这些不可思议的现象看起来都离我们的日常生活十分遥远。对于微观系统，比如束缚在原子中的电子，量子效应才最明显。也许你已经大致了解，量子现象构成了绝大多数现代科技的基础，你或许还认为，各种奇特的量子现象只能在实验室里演示，在家里你只能从电视上的科学节目中看到它们。但事实并非如此。

在第80页和第81页，我们会教你做一个实验，来演示所谓的量子擦除效应（quantum erasure）。这个效应涉及量子力学最怪异的特性之一 ——略施小技我们就能改变过去已经发生的事件。

在解释什么是量子擦除效应并介绍这个实验之前，我们有必要先强调一点：如果你成功地完成了实验，你会看到光的干涉图样，但这种图样也可以用光的经典波动理论来解释，而不需要引入量子力学。因此从这一点看来，这个实验似乎是个骗局，不能充分展示这个效应的量子本质。

然而，构成光波的每一个光子确实按照量子规律在运动，并且具备了所有的奇异特性，不过要证明这点，你必须每次只发送一个光子经过实验装置，并逐个对它们进行探测。遗憾的是，这样的实验目前无法在普通的家庭中实现。尽管如此，在进行我们即将介绍的实验时，一边观察干涉图样，一边想象它对应于单个光子的情形，你还是能够亲身领略量子世界的神奇。

量子橡皮擦擦去了什么？

量子力学的奇异特性之一就是，事物呈现出来的行为依赖于我们对它所采取的研究方式。因此，一个电子既可以表现为粒子，也可以表现为波，具体取决于我们让它经过何种实验装置。举例来说，在某些实验中，如果我们探测一个电子的运动轨迹，它就会突显出粒子性；如果不去探测电子轨迹，它则显现出波动性。

这种波粒二象性的一个标准演示，就是所谓的双缝实验（two-slit experiment，本文介绍的自制量子橡皮擦实验与它类似，只是我们采用了两条光路，而不是两条狭缝）。一个粒子源朝有两条狭缝的屏幕发射粒子（比如说电子），粒子从狭缝中穿过之后，打在第二个屏幕上，产生一个亮点。从某种程度上说，每个粒子抵达的位置是随机而不可预测的，但是成千上万个粒子累积下来，它们打在屏幕上的亮点却能构成一个确定的、可以预测的图样。当实验条件适于展现粒子的波动性时，产生的就是干涉图样。在双缝实验中，干涉图样是一排模糊的亮条，被称为干涉条纹（fringe）。那里是大多数粒子抵达的地方，而在条纹之间的空隙中抵达的粒子就非常少。

只有当每个粒子都能从双缝中的任意一条通过，同时又无法确定它从哪条缝通过时，干涉条纹才会出现。此时，两种路径是不可区分的，每个粒子都表现得犹如同时从两条狭缝中穿过一样。按照现代对量子力学的理解，当几种不可区分的可能性以这种方式结合在一起时，干涉就发生了。

当两种以上的可能性共存时，这种情形就被称为量子叠加（superposition）。1935年，埃尔文·薛定谔（Erwin Schrodinger）提出了著名的“薛定谔猫”，充分显示了量子叠加的不可思议。（薛定谔猫被关在一个密封的盒子里，无法被观察。它的生死由某个原子核是否发生衰变而定。由于衰变是随机事件，在打开盒子观察之前，原子核处于衰变和没有衰变这两种情况的叠加状态，因此猫也就处于既生又死的奇异状态之中。）当量子干涉现象发生时，实验中有待观察的事物就像“薛定谔猫”一样。不过，双缝实验中的“猫”并非同时处于生死两种状态，它正从一颗树旁悠闲地经过，而且同时从树的两侧走过。

一旦我们观察这个盒子的内部，薛定谔猫就不再处于叠加态了：我们看到的不是活猫，就是死猫，不可能两种情况同时发生。（不过也有一派观点是这样解释的：在观察时，我们自身也变成了看到死猫和看到活猫的叠加态。）如果用一盏聚光灯照亮树的周围，我们会看到量子猫要么从左侧经过，要么从右侧经过，不可能同时从两侧经过。与此类似，当粒子经过双缝时，我们也可以用一些测量工具来观察每一个粒子。假设用一束光照射两条狭缝，每个粒子从某一条狭缝中穿过时，都会散射光子，于是我们就能看到相应的狭缝发出了闪光。这样的闪光让两条可能的路径变得可以区分，破坏了叠加性，而粒子最终抵达屏幕时，也不会形成干涉条纹，而是呈现出一块毫无特征的亮斑。科学家们进行了多次类似的实验，结果正如量子力学所预言的那样，没有产生任何干涉图样。

实际上，我们不必去探测闪光，确定每个粒子走过的路径。只要闪光中包含粒子所经路径的信息，并且这种信息可以通过某种方式被观测到，干涉图样就会消失，我们有没有进行观测并不重要。

现在，终于可以回到量子橡皮擦这个主题上来了。这种橡皮擦可以擦去指示粒子经过哪条路径的信息，使各种可能的路径重新变得不可区分，从而恢复干涉状态。

量子橡皮擦是如何做到这一点的呢？假设每个粒子经过狭缝时散射出的“闪光”都是一个光子，要让这个光子能够指示粒子的经过路径，就必须能够分辨出光子是从哪条狭缝发出的（只要理论上能够分辨即可）。这意味着，我们必须有能力以足够的精度，测量出每个散射光子的位置，来区分这两条狭缝。然而，海森堡不确定性原理（Heisenberg's uncertainty principle）告诉我们，如果精确测量光子的动量，光子的位置就会变得更加不确定。因此，如果我们让光子经过一个透镜，让它们的动量信息可被测定，它们的位置信息就被擦除了。如此一来，粒子可能经过的两条路径就再次变得不可区分，干涉也就得以重建了。

我们暂时忽略最后一个技术细节，先停下来好好想想，刚才描述的擦除过程中到底发生了什么，因为这正是量子世界的奇异之处。如果探测一个光子发生散射的位置，我们就可以从中得知相应的粒子从哪条狭缝中穿过——这意味着粒子确实穿过了这条或那条狭缝，并非同时从两条狭缝穿过。然而，如果不去探测光子的位置，而是去探测它们的动量，我们将无法知道粒子到底穿过了哪条狭缝。更有甚者，当我们探测了大量光子的动量，并观察到干涉图样出现时，我们便可推断，在这种情况下，粒子是同时从两条狭缝中穿过的（不然就不可能出现干涉）。

换句话说，“粒子到底是从一条还是两条狭缝中穿过”，这个问题的答案取决于我们在它穿过狭缝之后，对它所散射的光子做了什么。看起来，我们对光子所作的测量，似乎影响了过去发生的事件。我们既可以确定粒子经过了哪条狭缝，也可以用量子橡皮擦将此信息从这个世界上抹去。

最奇怪的是，我们可以在粒子经过狭缝之后，再决定进行哪种测量。我们可以把两种测量所需的装置都准备好，加上一个转换开关，在光子即将到达之际选择其中一种。物理学家把这种方案称为延迟选择实验（delayed-choice experiment）。这个想法最早起源于尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和爱因斯坦在1935年展开的一场有关量子力学与实在本性的争论。到了1978年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·A·惠勒（John A. Wheeler）才系统地归纳并扩展了这个概念。

现在，一些特别聪明的读者也许会开始担忧，因为他们想到了一个似乎会破坏上面这些论述的基本问题：为什么我们不能等到粒子已经打到第二块屏幕，看到它们是否形成干涉图样之后，再来决定到底对光子进行哪种测量呢？事实上，我们可以做到这一点，只要把第二块屏幕放得离双缝足够近，再把光子探测器放得足够远就行了。那么，假如我们在看到粒子形成干涉条纹之后，再选择对光子进行位置测量（这样做会阻止干涉图样的形成），会发生什么事情呢？这难道不是自相矛盾吗？我们显然不可能指望已经形成的干涉图样消失！类似的推理还表明，我们能够利用延迟选择实验，在任意距离上瞬时传送信息（也就是说，此时的信息传递超越了光速的限制）。

我们此前忽略的那个技术细节，现在可以登场救急了。要想在使用量子橡皮擦之后，观察到干涉图样，我们先得把这些粒子分成两组，分别对它们进行观察。其中一组会形成原先的干涉图样；另一组则会形成与之相反的图样——也就是说，这一组中的粒子大多数将打在原先干涉图样的暗纹处，而不是原来亮纹所在的位置。两组合并在一起，就填满了所有的条纹间隙，从而将干涉图样隐藏了起来。

自相矛盾的情况不会发生，因为只有光子测量数据才能告诉我们，到底哪一个粒子属于哪一组。因此，在我们没有作出选择，没有完成光子测量之前，是不可能观察到干涉图样的。在我们介绍的家庭实验中，粒子的分组是自动完成的，其中一组被偏光膜挡住了，因此你可以用眼睛直接观察到通过偏光膜的那一组光子形成的干涉图样。在实验的最后一步，你还可以看到两组光子形成的干涉图样并列出现的情景。

从实用的角度出发，无法超光速传递信息、无法创造自相矛盾的情景，这未免有些令人失望。但物理学家和逻辑学家却认为，这是一件再好不过的事情了。