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量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?

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online_member 发表于 2019-5-16 21:37:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?

量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?-1.jpg
online_member 发表于 2019-5-16 21:38:22 | 显示全部楼层
“对于像我们这些信仰物理学的人而言,过去、现在和未来之间的区别只不过是一种顽固持续的幻象。”—阿尔伯特,爱因斯坦

量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?-1.jpg
这个是爱因斯坦在写给他的好朋友贝索( Bessel)的遗孀时写的一段话,我觉得却是最好的对于惠勒延迟实验包含的物理思想的诠释。为什么?我们先来看看什么是惠勒延迟实验吧。。。
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在解释惠勒延迟实验之前,我们还有些功课要做,要先理解一下双峰干涉实验:在量子力学里,双缝实验是一个测试量子的波动性质与粒子性质的实验。 举例来说,电子的双缝实验,把一束电子投射到有两条狭缝的挡板。在挡板的后面,摆设了某种侦测屏,用来纪录通过狭缝的电子。经过双缝干涉之后,电子好像同时走了两条细缝,屏幕出现波有干涉条纹。可是,如果我们用一个照相机去观察电子束中电子的轨迹,希望知道电子到底是从哪一条缝穿过的时候,奇怪的事情发生了:我们清晰的看到电子一颗一颗的以粒子的形式抵达侦测屏,电子只通过一条细缝,屏幕上的干涉条纹消失了。狡猾的电子好像知道了人类正在偷偷观测它。 量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?-3.jpg
所以经典的双缝干涉实验的结果是:如果我们实时观察,就没有干涉条纹,电子只会走一条细缝呈现粒子性。如果不实时观察,电子会同时走两条细缝,这样就呈现干涉条纹,电子呈现波动性。这个结果告诉我们,人类观察影响了电子的运动。
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这个时候大神惠勒说,不要紧,电子你不是能知道我是不是在观察,然后选择怎么穿过细缝么?那我就延迟观察:在电子穿过缝隙之前先不观察,到穿过之后再决定要不要观察,这样电子穿过细缝的时候就无法确定人类会不会观察了,我们不就可以准确的知道电子是怎么穿过细缝了?

可是电子比大神惠勒更大神,惠勒延迟实验的结果是: 即使我们延迟观察--在电子穿过细缝之后再进行观察,电子还是呈现粒子性(只通过一条细缝);不进行观察,电子依然呈现干涉条纹(同时通过两条细缝)。这个结果意味着,我们现在的选择(观测行为)改变了电子过去的“选择”。也就是说,我们可以在事情已经发生之后再来决定它应该怎么发生——无论是否事情的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定!!!!!!
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“任何一种基本量子现象只在其被记录(观测)之后才是一种现象”, 玻尔说,“而在观察发生之前,没有任何物理量是客观实在的”。 惠勒延迟实验更进一步表明,观察不但创造了实相,而且还可以在事情发生之后再逆时间地创造实相。
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所以,时间到底是什么?先后因果的顺序真的可以颠倒么?或许真的如爱因斯坦所说,时间不过是持续的幻象而已。

以上。
online_member 发表于 2019-5-16 21:38:57 | 显示全部楼层
【惠勒延迟实验,以下省略了归一化系数】到达交汇点B时光一直处于混态 |M1> + |M2> , 探测器 P 有两个结果 |2> 和 |1>,没有半镀银反射镜的情况 <2|P|M2> =1, <2|P|M1> =0, <1|P|M1> =1, <1|P|M2>=0。按量子的说法是混态 |M1> + |M2> 在探测器 P 上以各50%几率探测到|1> 和 |2>。有半镀银反射镜情况,在 P 前插入了算符 B , B( |M1> + |M2> ) =|M2>, B( |M1> - |M2> ) =|M1>, 最终结果 PB( |M1> + |M2> )= P|M2> = |2>, 只在探测器2出现。
有某种延时选择的说法,实际上是用经典的眼光审视量子现象的结果,认为第一种情况光50%几率处于纯态|M1> ,50%几率处于纯态 |M2> 【数值上同样效果】,从而得出现在可以影响过去的结论,按照量子的观点,两种情况都是|M1> + |M2>,这个实验不存在延时选择。
物理学中,过去和未来都和现在一样真实存在的,未来影响过去并不违背物理规律,过去,现在,未来同时存在,时间的流逝不过是幻觉,空间是向四周扩散的,时间概念,只不过是我们物质世界运动的轨迹所产生的结果,更直接的讲,地球自转的轨迹相对太阳而言产生了白天与黑夜,为了方便记录,使用时间概念来描述物体运动的轨迹与周期性,然而实际上过去现在未来都是同时发生的,同样可被观察者改变。
online_member 发表于 2019-5-16 21:39:45 | 显示全部楼层
其实我觉得图中第一句话是精髓。波粒二象性的意思是,他在实验中能表现出粒子的性质也能表现出波的性质。
举一个不恰当的比方。比如人类生活在一个山洞里,只有红色和绿色的手电,而且因为某种原因这两个手电不能同时打开,人类当然会觉得红色和绿色不是一回事。当有一天人们发现了一个石头,用红色手电照他是红色的,用绿色手电照他是绿色的,其实是个黄色的石头,但住在山洞里的人是看不到黄色的,于是会觉得很奇怪。于是宣称这个石头会知道你要拿哪个手电照他!
这只是打一个比方,这个描述并不正确。
online_member 发表于 2019-5-16 21:40:24 | 显示全部楼层
惠勒(1911-2008)是费曼(1918-1988)的老师。延迟选择实验是惠勒提出的一个理想实验,本质上就是一个双缝实验,或双缝实验的一个变种。

首先让我们回顾一下双缝实验:
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两个缝都开,屏上有干涉条纹(有些作者喜欢说体现为波动性);
挡住一个,留下一个缝,屏上会有相对集中的条纹(有些作者喜欢说体现为粒子性);

假设两个缝都是打开的,现在假想单个光子穿越了双缝,但还没有到达屏。然后我们在瞬间关闭一个缝,此时光子会落在屏的什么地方?这就是所谓“延迟选择”,即光已经穿过双缝,再去选择是否关闭一个缝。

按照量子力学,是否双缝,或关闭哪一个缝,只是在制备波函数。

仅仅上缝,波函数是ψu,仅仅下缝,波函数是ψd。

双缝对应的波函数是:ψu+ψd

在习惯上我们会认为远处的“双缝”还是“单缝”——这一构型不会立刻改变正在逼近屏的光子的状态。但量子力学是一个非局域(Non Local)的理论,“双缝”还是“单缝”的改变是施加于整个世界的,换句话说,波函数会在瞬间改变为ψu,或ψd。

“延迟选择”还是选择,会即刻改变波函数,并体现在屏上。此时对应光子集中分布在仍开着的那个缝的对面(波动性没有了)。
量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?-2.jpg

惠勒提出了一个改进的延迟选择实验。起先是思想实验,后来被物理学家在实验室里实现了。

考虑一个马赫-曾德(Mach–Zehnder)干涉仪,如图由两个半透半反镜(蓝色)和两个全反镜(绿色)组成。
假设我们把光路中的第二个半透半反镜(右上角的那个)撤掉,此时入射光将被第一个半透半反镜(左下角的那个)一分为二,但没机会汇合在一起。


此时没有干涉现象发生,1处和2处都会有光出射,并且强度是相等的。如果考虑单光子入射的话,单光子将有一半几率跑到1处,另外一半几率跑到2处。

所谓“延迟选择”是当我们估计到光子已经接近第二块半透半反镜的位置的时候(此时第二块镜子还没放上去),迅速地放上第2块半透半反镜。那么我们能否看到干涉现象?

考虑到量子力学是非局域的,第2块半透半反镜的插入,会瞬间“整体地”改变波函数,光子不再是或者跑到1处,或者跑到2处,而是会发生干涉,1处是相长干涉,而2处为相消干涉。即全部光子都会跑到1处,而没有光子会跑到2处。

此时我们不能认为单光子是或者从左侧射入,或者从下方射入第二块半透半反镜。而必须认为光子处在“左侧射入”和“下方射入”的量子叠加态上。

惠勒的延迟选择实验实际上就是一个由光路实现的双缝实验。

量子力学中的惠勒延迟实验,包含的物理思想和量子力学基本原理是什么?-3.jpg

如图:绿色是全反镜,蓝色是半透半反镜;反射会导致相位变化,光疏介质入射到光密介质反射,有π相位变化;光密介质入射到光疏介质反射没有π相位变化,所以光经右上“半透半反镜”反射到2处是没有附加相位变化的。

光有可能在1处,也有可能在2处发生干涉;
1处:光可能走“上路径”,此时相位是:2π+2π(u+D)/λ
光也可能走“下路径”,此时相位也是:2π+2π(u+D)/λ

可见这两束光同相位,对应干涉相长。


假设入射光是:Ψ,光强(I)正比于Ψ绝对值的平方。
光通过半透半反镜有50%的光强反射,50%的光强透射。

第一次反射波函数:Ψ/√2

第一次透射波函数:Ψ/√2

继续,还有第二次反射,此时光强会继续减半,


第二次反射波函数:Ψ/2

第二次透射波函数:Ψ/2

由于现在这两束光是同相位的,所以最终波函数是Ψ/2+Ψ/2=Ψ。换句话说1处有全部的光强,此时不需要计算也可猜测,2处是没有光强的。这就是所谓干涉,1处相长,2处只能是相消了。

2处:光可能走“上路径”,此时相位是:2π+2π(u+D)/λ
光也可能走“下路径”,此时相位是:π+2π(u+D)/λ

可见上、下路径,相位差正好是π,换句话说这里光是相消的,光强为0。
小结:实验发现“延迟选择”仍然有干涉现象,即1处有全部光强而2处光强为0,说明量子力学确实是非局域的理论。(如果量子力学是局域的话,因为此时光子已经逼近右上半透半反镜,应当观察到1处和2处各有50%光强)
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