人類(lèi)的好奇心是永無(wú)止境的，物理學(xué)家們絞盡腦汁地想方設(shè)法想要知道波粒二象性的奧秘，他們又設(shè)計(jì)了幾個(gè)單光子的實(shí)驗(yàn)，希望“迷惑”光子從而發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)路徑?？墒墙Y(jié)果是，光子不但沒(méi)被我們迷惑，反而把我們弄得更加迷惑了。
14.1 單光子偏振實(shí)驗(yàn)
我們?cè)诘?章和第9章中介紹過(guò)一些偏振光的知識(shí)，但此處還需更深入地了解一下。
偏振光。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
同一方向上傳播的兩列頻率相同的線(xiàn)偏振光可以合成圓偏振光，圓偏振光又可以分為左旋和右旋兩種。
注：同一方向上傳播的兩列頻率相同的線(xiàn)偏振光，如果它們的振動(dòng)方向互相垂直，并具有固定的相位差，則根據(jù)相位差的不同，它們合成的光振動(dòng)矢量末端的軌跡可以是直線(xiàn)、橢圓或圓。如果相位差是0°或180°，則合成的還是線(xiàn)偏振光；如果相位差是±90°，則合成的是圓偏振光；除此之外是橢圓偏振光。對(duì)于橢圓偏振光或圓偏振光，人們規(guī)定，迎著光線(xiàn)看時(shí)，如果光矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則稱(chēng)為右旋偏振光；如果光矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則稱(chēng)為左旋偏振光。
在自然界中也可以產(chǎn)生光的偏振現(xiàn)象，比如自然光通過(guò)某些晶體后，就可以觀(guān)察到光的偏振現(xiàn)象。光通過(guò)晶體后的偏振現(xiàn)象是和晶體對(duì)光的雙折射現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生的。把一塊透明的方解石（化學(xué)成分是CaCO3）晶片放到紙上，會(huì)看到一個(gè)字呈現(xiàn)雙像（見(jiàn)圖14-1），這說(shuō)明光進(jìn)入方解石后分成了兩束。這種折射光分成兩束的現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射現(xiàn)象。
圖14-1 方解石的雙折射現(xiàn)象
研究表明，用圓偏振光射入方解石，發(fā)生雙折射后會(huì)被分解成兩束相互垂直的線(xiàn)偏振光，兩束光的強(qiáng)度各為原來(lái)的一半。現(xiàn)在，如果拿一塊同樣的方解石晶體反向放置，就可將豎直和水平線(xiàn)偏振光重新組合，從而重構(gòu)圓偏振光，這樣的重構(gòu)已經(jīng)在精密的實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖14-2）。
現(xiàn)在我們來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如果把通過(guò)晶體的光強(qiáng)降低到非常低的水平，每次只通過(guò)一個(gè)光子，那么從兩塊晶體后出來(lái)的光子是線(xiàn)偏振光子還是左旋圓偏振光子呢？實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，它是左旋圓偏振光子！太難以置信了，難道光子能分成兩半再重新組合嗎？
再來(lái)一個(gè)更絕的實(shí)驗(yàn)，我們?cè)趦蓧K晶體之間插入一塊擋板，把水平線(xiàn)偏振光的光路擋住，還是通過(guò)一個(gè)光子，這時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生左旋圓偏振光子了，出現(xiàn)的是一個(gè)豎直偏振光子（見(jiàn)圖14-3）。同理，如果擋住豎直線(xiàn)偏振光路，就會(huì)出來(lái)一個(gè)水平偏振光子。
從兩個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合來(lái)看，同樣是一個(gè)光子，但是它好像“知道”兩條光路的通暢情況并受其影響。
光子的行為是與我們的常識(shí)所違背的，我們只能根據(jù)路徑積分理論，認(rèn)為光子可以探測(cè)到所有路徑，從而決定自己的行為。除此之外，看來(lái)別無(wú)他法。可是，光子是怎么探測(cè)到所有路徑的呢？
14.2 單光子廣角干涉實(shí)驗(yàn)
1992 年，新墨西哥大學(xué)的物理學(xué)家們成功進(jìn)行了單光子的廣角干涉實(shí)驗(yàn)，讓人們對(duì)波粒二象性的神奇又有了新的認(rèn)識(shí)。
如圖14-4 所示，用激光器激發(fā)染料分子S 發(fā)射出固定波長(zhǎng)的光子，控制實(shí)驗(yàn)條件，可以保證S 每次只發(fā)射一個(gè)光子。反射鏡M1 和M2 放置在兩個(gè)幾乎完全相反的方向（θ 接近180°）。圖中畫(huà)出了從經(jīng)典物理角度來(lái)看光子的兩條可能路徑，路徑1 和2 分開(kāi)的角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙縫實(shí)驗(yàn)（雙縫實(shí)驗(yàn)中射向兩個(gè)狹縫的光路夾角非常?。?。
經(jīng)過(guò)M1 和M2 反射后，沿著路徑1 和路徑2 傳播的光在分束器處相遇。分束器是一種光學(xué)器件，它能使入射到它上面的光一半透射一半反射。如果光同時(shí)沿路徑1 和路徑2 傳播，那么在分束器右側(cè)，沿路徑2 傳播而被反射的光和沿路徑1 傳播而從分束器透過(guò)的光就會(huì)疊加起來(lái)，在到達(dá)接收器時(shí)發(fā)生干涉，顯示出干涉圖樣。
如果同時(shí)發(fā)射大量的光子，出現(xiàn)干涉圖樣也許不會(huì)讓我們驚訝，因?yàn)槲覀儠?huì)認(rèn)為光子有的走路徑1，有的走路徑2，通過(guò)分束器時(shí)路徑1 的光子有一半透射，路徑2 的光子有一半反射，所以會(huì)疊加起來(lái)產(chǎn)生干涉，并不難理解。
可是，實(shí)驗(yàn)中每次只發(fā)射一個(gè)光子，結(jié)果顯示，隨著光子一個(gè)個(gè)地打在接收器上，居然也會(huì)出現(xiàn)干涉圖樣！
由于每次只有一個(gè)光子，而且兩條路徑是遠(yuǎn)遠(yuǎn)分開(kāi)的，用傳統(tǒng)觀(guān)念是很難理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)的。因?yàn)榧偃缯f(shuō)按經(jīng)典路徑觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這一個(gè)光子是同時(shí)沿著兩條幾乎相反的路徑行進(jìn)然后自己跟自己干涉的，這怎么可能呢？
為了探究光子的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)驗(yàn)者想到了通過(guò)測(cè)量分子的反沖動(dòng)量來(lái)判斷光子發(fā)射方向的辦法，但是由于不確定原理，分子的反沖動(dòng)量無(wú)法精確測(cè)量，所以還是無(wú)法判斷光子到底是怎么運(yùn)動(dòng)的。
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
從某一瞬間來(lái)看，光子就是一個(gè)粒子，不會(huì)是波，也不會(huì)分成兩半，但最后它的概率分布卻符合波的規(guī)律，其中有何奧妙，真是令人百思不得其解。
14.3 單光子延遲選擇實(shí)驗(yàn)
前面所列舉的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)置都是固定的，這可能會(huì)讓光子有所“準(zhǔn)備”。于是人們想到，能不能先不固定實(shí)驗(yàn)設(shè)置，我們把測(cè)量所需的裝置準(zhǔn)備好，加上一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，等光子走完大半路程即將到達(dá)終點(diǎn)之際再?zèng)Q定是要測(cè)量它的波動(dòng)性還是粒子性。物理學(xué)家把這種方案稱(chēng)為延遲選擇實(shí)驗(yàn)。
這個(gè)想法太毒辣了，光子能過(guò)了這一關(guān)嗎？你一定想知道是誰(shuí)這么狠，能提出這樣的方案。不是別人，就是費(fèi)曼和艾弗雷特的導(dǎo)師惠勒。1979 年，他提出了延遲選擇實(shí)驗(yàn)的明確思路。隨后幾十年中，他的思想實(shí)驗(yàn)變成了現(xiàn)實(shí)，物理學(xué)家們成功進(jìn)行了多種延遲選擇實(shí)驗(yàn)。延遲選擇實(shí)驗(yàn)原理同上述單光子廣角干涉實(shí)驗(yàn)差不多，不過(guò)在這兒兩條路徑成直角（見(jiàn)圖14-5）。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)中仍然每次只發(fā)出一個(gè)光子，分以下四種情況觀(guān)測(cè)。
第一種情況：不放置分束器B2。
結(jié)果：?jiǎn)蝹€(gè)光子出發(fā)后，或者被D1 探測(cè)到，或者被D2 探測(cè)到。對(duì)于大量光子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，D1 和D2 會(huì)各探測(cè)到光子總數(shù)的一半。這種情況下，我們可以認(rèn)為D1 探測(cè)到的光子沿路徑1 而來(lái)，D2 探測(cè)到的光子沿路徑2 而來(lái)。也就是說(shuō)，可以判斷光子通過(guò)哪條路徑，光子呈現(xiàn)粒子性。
第二種情況：放置分束器B2。
通過(guò)路徑1 來(lái)的光有一半會(huì)被反射到D2，另一半則會(huì)直接透射到D1。而通過(guò)路徑2 來(lái)的光有一半會(huì)被反射到D1，另一半則會(huì)直接透射到D2。通過(guò)仔細(xì)擺放B2 可以使兩束射向D2 的光發(fā)生相消干涉，彼此抵消，而兩束射向D1 的光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，彼此加強(qiáng)。
結(jié)果：?jiǎn)蝹€(gè)光子出發(fā)后，只能被D1 探測(cè)到，而不會(huì)被D2 探測(cè)到。
對(duì)于大量光子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，所有光子都會(huì)被D1 探測(cè)到。這種情況下，每個(gè)光子好像都是同時(shí)沿著兩條軌跡運(yùn)動(dòng)，然后自己與自己發(fā)生干涉。也就是說(shuō)，無(wú)法判斷光子通過(guò)哪條路徑，光子呈現(xiàn)波動(dòng)性。
圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)
第三種情況：延遲放置分束器B2。已經(jīng)知道，如果不放置B2，則可判斷光子路徑；如果放置B2，則無(wú)法判斷。現(xiàn)在我們進(jìn)行延遲選擇實(shí)驗(yàn)。
光子出發(fā)后，按光速計(jì)算它到達(dá)分束器B1 的時(shí)間，等它通過(guò)B1 后，再來(lái)隨機(jī)決定是否放置B2。也就是說(shuō)，等我們做出決定時(shí)，光子已經(jīng)離開(kāi)B1 很遠(yuǎn)了，但是它到B2 還有點(diǎn)距離，它還在途中。
結(jié)果：?jiǎn)蝹€(gè)光子出發(fā)后，在它已經(jīng)通過(guò)B1，還沒(méi)到達(dá)B2 之前，突然插入B2，這時(shí)光子只能被D1 探測(cè)到，顯示波動(dòng)性。如果不插入B2，結(jié)果和上述第一種情況一樣，顯示粒子性。
這個(gè)結(jié)果實(shí)在是太匪夷所思了。光子的運(yùn)動(dòng)方式可以由人為測(cè)量而改變：在它到達(dá)終點(diǎn)之前不插入B2，它就會(huì)沿兩條路徑之一運(yùn)動(dòng)，顯示粒子性；如果插入B2，它就同時(shí)經(jīng)過(guò)兩條路徑，顯示波動(dòng)性。在你插入B2 之前，雖然看起來(lái)它已經(jīng)通過(guò)了B1，但實(shí)際上一切都是不確定的。
第四種情況：放置分束器B2，但用擋板把B1 和M2 之間的路徑擋住，使光子無(wú)法從路徑2 通過(guò)。
結(jié)果：現(xiàn)在光子只有路徑1 可走，于是從路徑1 到達(dá)B2 的光子有50％的機(jī)會(huì)透射，還有50％的機(jī)會(huì)被反射，兩個(gè)探測(cè)器都可能探測(cè)到光子，干涉消除了，光子成為沿著特定路徑運(yùn)動(dòng)的粒子。
如果你認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)延遲得還不夠，那么下一個(gè)實(shí)驗(yàn)一定會(huì)使你心服口服。
14.4 量子擦除實(shí)驗(yàn)
上述延遲選擇實(shí)驗(yàn)是讓光子通過(guò)B1 后來(lái)選擇測(cè)量粒子性還是波動(dòng)性，如果能讓光子通過(guò)B2 后再來(lái)選擇，那就更刺激了。而物理學(xué)家們居然真的做到了這一點(diǎn)。
1982 年，美國(guó)物理學(xué)家在延遲選擇實(shí)驗(yàn)思想上提出了一種“量子擦除”實(shí)驗(yàn)構(gòu)想。1992 年，加州大學(xué)伯克利分校的保羅·科威特、埃弗雷姆·施坦格和雷蒙德·喬完善了這一裝置并實(shí)現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。量子擦除實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，其簡(jiǎn)單的原理示意如圖14-6 所示。
該實(shí)驗(yàn)仍然每次只有一個(gè)光子。通過(guò)路徑2 的光會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“標(biāo)識(shí)器”，它是一臺(tái)起偏器，會(huì)把從路徑2 經(jīng)過(guò)的光子標(biāo)記上偏振信息。在分束器B2 與探測(cè)器D1 和D2 間放置用來(lái)消除“標(biāo)識(shí)器”所作標(biāo)記的裝置，它們是兩臺(tái)消偏器，稱(chēng)為“擦除器”。因?yàn)槁窂叫畔⒈淮鎯?chǔ)在光子的偏振態(tài)中，可以用消偏器去掉。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如果只有標(biāo)識(shí)器而沒(méi)有擦除器，干涉就會(huì)消失。之所以這樣，是因?yàn)槿绻挥袠?biāo)識(shí)器，從路徑2 經(jīng)過(guò)的光子會(huì)帶有偏振信息，無(wú)法和路徑1 的光干涉。但是令人震驚的是，如果既存在標(biāo)識(shí)器，又存在擦除器，干涉將會(huì)再次出現(xiàn)！加上擦除器之后，盡管從路徑2 經(jīng)過(guò)的光帶有偏振信息，但在到達(dá)最終的探測(cè)器之前，偏振信息就已經(jīng)被清除了，于是干涉就會(huì)再次產(chǎn)生。
要知道，擦除器是在B2 的后邊，光子如果要干涉只能借助B2 來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了B2，本應(yīng)無(wú)法干涉了，居然因?yàn)榧恿藗€(gè)擦除器而繼續(xù)干涉，這實(shí)在是太不可思議了！看來(lái)，雖然光子處于半路上，但只要前方發(fā)生變化，它立刻就能“探測(cè)”出從起點(diǎn)出發(fā)以來(lái)的所有可能路徑從而重新決定它最終的落點(diǎn)。難道它發(fā)現(xiàn)偏振信息被擦除后能重新選擇歷史路徑嗎？難道時(shí)間會(huì)倒流嗎？
（摘自《從量子到宇宙》，作者：高鵬。）
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