物理學家有時候會把一束在空間中傳播的光形容為“煙霧纏繞的巨龍”：人們可以看到巨龍的尾巴，那是光產(chǎn)生的源頭；也可以看到巨龍的頭，它是實驗測量的結果。然而，巨龍的身體卻被煙霧纏繞，人們對光在這段旅途的狀態(tài)知之甚少。
光的本質(zhì)是什么？從17世紀開始，科學家對這個問題便持有兩種截然不同的觀點。牛頓（Issac Newton）認為光是由粒子組成的，而與他同時代的荷蘭科學家惠更斯（Christiaan Huygens）則認為光是一種波。后來，通過雙縫實驗我們得知，這兩種觀點都正確——光的行為即可以被視為粒子，也可被視為波。
○ 光的波動行為可以用來描述衍射和干涉等現(xiàn)象，而光的粒子行為則可以解釋光電效應或黑體輻射。| 圖片來源： QuantumFuture Research Group, University of Padova
光的這種令人捉摸不透的性質(zhì)被稱為波粒二象性，并由量子理論描述。（量子物理是目前描述所有已知粒子的最好理論，它認為在最基本的層面，現(xiàn)實是模糊和不確定的。例如，被稱為疊加態(tài)的超現(xiàn)實量子效應本質(zhì)上允許電子、原子和宇宙中的其它基本單元同時存在于兩個或多個地方。）波粒二象性是量子力學的一個關鍵特征，但并不容易根據(jù)我們?nèi)粘＝?jīng)驗的直覺來理解這個概念。這種雙重性質(zhì)在量子世界中變得越來越奇怪。
根據(jù)量子物理，所有的基本粒子都應被視作為同時是波和粒子，但在進行觀測時，我們要么會觀測到光的波動性，要么觀測到它的粒子本質(zhì)，從來不會同時觀測到兩種狀態(tài)。無論我們?nèi)绾螄L試，對光進行測量的行為就會迫使它表現(xiàn)成為其中一種狀態(tài)。
為了檢驗光是如何“選擇”在被探測到的時候是粒子還是波，在1978年的時候，約翰·惠勒（John Wheeler）提出了著名的思想實驗：延遲選擇實驗（delayed-choice experiment）。
○ 馬赫-曾德爾干涉儀是一個由兩個分光鏡（beam splitter）、兩面鏡子（mirror）和兩個探測器（detector）組成的光學系統(tǒng)。光子通過干涉儀的時候，通常會沿兩條路徑傳播，干涉圖案則可在其中一個探測器上出現(xiàn)。如果移除第二個分光鏡，光就會像粒子一樣，必須沿著其中一條路徑傳播，以相同的概率被任一探測器記錄。| 圖片來源： V.Altounian/Science
在這個思想實驗中，惠勒想象將光子送入一個叫馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer）的光學儀器，這強調(diào)了光的波動性質(zhì)。首先，光子會遇到一個像鏡子一樣的被稱為分光鏡（beam splitter）的光學裝置，將進入的光子分成沿兩條不同路徑傳播的量子波。接著，它們會在第二個分光鏡中結合，并相互干涉，被其中一個探測器記錄到。
如果我們將第二個分光鏡移除，只在實驗裝置中留有一個分光鏡時，波的干涉就不可能發(fā)生。第一個分光鏡只會將光子送入其中一條路徑，被其中一個探測器檢測到。這表明光子在分光鏡上做出了“選擇”，選擇表現(xiàn)得像粒子一樣。于是惠勒設想，如果我們首先將實驗設置成一個測量光為波動性質(zhì)的實驗（即實驗擁有兩個分光鏡），接著在光子已經(jīng)進入干涉儀、經(jīng)過第一個分光鏡后，立馬將實驗裝置更改為測量粒子屬性的設定，會發(fā)生什么呢？如果光要么是粒子、要么是波，那么在實驗屬性決定之前，它就必須要做出“選擇”，如果光選錯了會怎么樣？
惠勒提出的的延遲選擇實驗，試圖回答這些問題，即光會在進入實驗裝置后延遲做出屬性選擇的決定。如果光子一開始以粒子屬性進入實驗，而在進入之后，實驗裝置被臨時更改為對波動屬性的測量，光子最終會表現(xiàn)得像波一樣。這一斷言表明的含義是很奇特的，它說的是現(xiàn)在的決定，決定了過去的事件：光子在過去選擇表現(xiàn)得像波還是像粒子。而量子理論避免了這個問題，它假設光子在被測量到之前，既是波又是粒子。
○ 在惠勒的思想實驗中，他構思出了一個“宇宙干涉儀”。假設來自遙遠的類星體發(fā)出的光受到臨近星系的引力透鏡作用的影響，會導致來自同一個類星體的光就好像是從兩個略微不同的位置發(fā)出的。隨后惠勒指出，這種光可以以兩種不同的方式被觀測到：第一種是將探測器對準每個透鏡圖像，進行粒子性質(zhì)測量；第二種是在干涉儀中將這兩個位置的圖像結合在一起，進行波性質(zhì)測量。但是，光的傳播之旅發(fā)生在數(shù)十億年前，遠遠早于我們決定該進行哪個實驗之前。通過這種“延遲選擇”，那么來自類星體的光似乎早在幾十億年前就“知道”它在實驗中會被認作是粒子或是波。| 圖片來源： QuantumFuture Research Group, University of Padova
在過去二十多年中，科學家已經(jīng)用實驗驗證了惠勒的想法，但是在這些實驗中，光子傳播的最長距離也只約為140公里。因此雖然大多數(shù)科學家認為這已經(jīng)是足夠堅實的證據(jù)了，但也有一些科學家認為這些在實驗室中進行的實驗，或許會有一些微妙的作用給光子提供了結果是什么的線索。因此，科學家一直致力于在更遠的距離上進行這項實驗。從惠勒提出思想實驗到現(xiàn)在，科學家花了近30年之久，終于成功地利用干涉儀在地球上和太空衛(wèi)星之間完成了這項實驗（傳播距離約為3500公里）。
意大利帕多瓦大學的 Paolo Villoresi 和他的同事用數(shù)千公里外的衛(wèi)星來進行這個實驗。他們的實驗設置跟其他延遲選擇實驗的設置很類似，但有一點不同。光先通過實驗室中的干涉儀，且不會在此簡單地測量出結果，而是以結合在一起的光束的形式被送往太空，入射入在近地球軌道上環(huán)繞的衛(wèi)星上的鏡子。當只有在光反射回實驗室之后才能測出結果，在光束遠離實驗室之前，測量選擇都不會被確定，因此實驗室本身對結果不會產(chǎn)生影響。
在這個實驗設置中，研究人員先在意大利航天局的馬泰拉激光測距天文臺（MLRO）用分光鏡為激光脈沖分出兩條可傳播路徑，其中一條路徑是直的，另一條是更復雜、更遠距離一點的繞行。在復雜路徑上的光與在筆直路徑上的光會在之后重合，并一前一后的沿著相同的路徑向幾千公里外的近地球軌道衛(wèi)星傳播。
○ 實驗裝置。| 圖片來源： Vedovato et al.
衛(wèi)星將脈沖反射回地球，在地球上有一個裝置可以隨機選擇執(zhí)行兩件事中的一件：一是什么都不做，二是可以“拖住”第一個脈沖一點，讓兩個脈沖在同一時刻到達探測器處。這個決定就對應于惠勒的延遲選擇：不采取任何行動可以使兩個脈沖的光程保持不等，而采取行動能讓兩個脈沖的光程相同。當光程不等，光子一個接一個地到達探測器，我們便可以分辨它們采用了哪條路徑，在這種情況下，它們表現(xiàn)得像粒子一樣。當兩條路徑的長度相等時，探測器無法知道每個光子所采用的路徑，在這種情況下，每個光子都是處于同時采用了兩條路徑的疊加態(tài)，并且產(chǎn)生干涉，顯示出波的性質(zhì)。
這一隨機決定只在光返回地球之后才做出，這意味著不到擊中探測器的那一刻，光是無法“知道”科學家在期待測量什么的。如果研究人員仍能看到相同的現(xiàn)象，即當光重新結合時出現(xiàn)的干涉圖紋，和當兩個脈沖沒有結合而探測到的單一信號，則說明在他們的裝置做出隨機選擇前，光同時既是粒子也是波。
延遲選擇實驗可能有助于探索相對論（要求因先于果）與量子理論之間的界限。盡管嚴格來說，量子效應并沒有違反因果關系，但仍創(chuàng)造了一個此刻的測量能塑造過去事件的緊張局面。這個將量子力學和相對論混合在一起的領域在目前仍有許多未知等待我們?nèi)ヌ綄?，正是類似這次的實驗為這種探索提供了可能。它也是將“量子光學”從實驗室引入太空的一個成功典范。今后或許會有越來越多的量子研究相關的實驗可以在太空中進行。
參考鏈接：
[1] https://quantumfuture.dei.unipd.it/publications/selected-publications/137-extending-wheeler-s-delayed-choice-experiment-to-space
[2] https://phys.org/news/2017-10-satellite-wheeler-quantum-theory-thought.html
[3] https://www.space.com/38568-testing-quantum-mechanics-in-space.html
[4] https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2017/10/25/quantum-thought-experiment-works-in-space/#5e5523737fb7
[6] https://www.newscientist.com/article/2151427-lights-quantum-weirdness-survives-after-going-to-space-and-back/
[7] https://www.scientificamerican.com/article/quantum-delayed-choice/
[8] http://www.sciencemag.org/news/2017/10/quantum-experiment-space-confirms-reality-what-you-make-it-0?utm_campaign=news_weekly_2017-10-27&et_rid=17712178&et_cid=1628247
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