導(dǎo)語：時(shí)間的不可逆性決定了時(shí)光穿梭，返回過去是一件不可能發(fā)生的事，這幾乎是人們的常識(shí)，但是量子力學(xué)總能帶給我們神奇的可能與解釋，一個(gè)關(guān)于測(cè)量光子波粒二象性的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)讓我們看到了這樣一個(gè)令人驚訝的事實(shí)：當(dāng)下的決定竟然可以決定過去事件的發(fā)生！這種時(shí)空效應(yīng)似乎在告訴人們量子力學(xué)和相對(duì)論的某種隱秘的聯(lián)系。
日前，由意大利帕多瓦大學(xué)的Francesco Vedovato和Paolo Villoresi領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，在意大利南部的馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)使用1.5米長的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從數(shù)千公里外的衛(wèi)星上發(fā)射光量子并進(jìn)行測(cè)量。這場(chǎng)不同尋常的太空實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子力學(xué)中的一個(gè)觀點(diǎn)，即“現(xiàn)實(shí)”是可以由人們選擇的。
其實(shí)物理學(xué)家早已認(rèn)識(shí)到，光量子呈現(xiàn)粒子性還是波動(dòng)性取決于對(duì)它們的測(cè)量方式。不過現(xiàn)在，我們可以通過從衛(wèi)星發(fā)射光量子的實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)該結(jié)論。一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證實(shí)：雖然實(shí)驗(yàn)中似乎錯(cuò)過了決定光量子呈現(xiàn)波動(dòng)性還是粒子性的時(shí)間點(diǎn)，但就在實(shí)驗(yàn)幾乎全部完成時(shí)，觀察者仍舊可以對(duì)其呈現(xiàn)形式做出選擇。研究人員說，這種延遲選擇實(shí)驗(yàn)有可能幫助人類更好地探索量子理論和相對(duì)論之間的模糊邊際。
圖 | 神秘的量子糾纏：萬物皆有默契的可能
Villoresi指出，在這樣遠(yuǎn)的距離上，物理學(xué)家不能將光從兩條平行的路徑發(fā)出，因?yàn)槿绻@樣，擴(kuò)散光束將重疊并合并。于是，他們?cè)诘厍蛏嫌镁哂胁煌L度路徑的Mach-Zehnder干涉儀發(fā)射光子。路徑長度的差異會(huì)使單脈沖信號(hào)分為時(shí)間相差3.5納秒的兩個(gè)脈沖，然后再通過望遠(yuǎn)鏡向太空射出。
一旦脈沖返回，實(shí)驗(yàn)者就會(huì)將它們?cè)賹?dǎo)回干涉儀。該裝置可以消除時(shí)移，使得兩個(gè)脈沖信號(hào)重疊并且像波一樣相互干涉，或者使其倍增而不會(huì)互相干涉。為了消除時(shí)移，物理學(xué)家們必須先使用非?？斓碾娮悠駚硗ㄟ^某種方式改變它們的偏振性質(zhì)。如果要將時(shí)移加倍，他們只需保留其原本的偏振效應(yīng)即可。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)者將脈沖信號(hào)重疊時(shí)，正如預(yù)期中的干涉波一樣，光量子將會(huì)以兩個(gè)不同的概率觸發(fā)不同的檢測(cè)器，這兩個(gè)不同的概率與衛(wèi)星后退速度有關(guān)。當(dāng)脈沖不能相互干涉時(shí)，無論衛(wèi)星的速度如何，光子都會(huì)像粒子一樣，以相同的概率觸發(fā)任意一個(gè)檢測(cè)器。實(shí)驗(yàn)小組在10月25日《Science Advances》上刊登的報(bào)告中說，實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的是，物理學(xué)家會(huì)在光從衛(wèi)星發(fā)出后的10毫秒的往返行程中決定以何種方式進(jìn)行測(cè)量，但延遲做出的決定似乎再次及時(shí)地“反饋”了回去，從而決定了光子離開第一個(gè)分束器后將呈現(xiàn)何種性質(zhì)。
之前，其他研究者也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中證明了相同的反直覺效應(yīng)（與已有直觀認(rèn)知相反）。曾參與過一次類似實(shí)驗(yàn)的法國Palaiseau光學(xué)研究所的物理學(xué)家Philippe Grangier說，這項(xiàng)新的研究表明，光量子的性質(zhì)在跨度為數(shù)千公里的范圍內(nèi)仍是未定義的。同時(shí)這也是一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)，能夠體現(xiàn)出該團(tuán)隊(duì)具備在太空中進(jìn)行量子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大能力。
圖|近日，物理學(xué)家借助意大利南部的馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)來測(cè)試量子理論。
根據(jù)量子力學(xué)的理論，光量子既可以呈現(xiàn)像子彈般的粒子態(tài)，又可以呈現(xiàn)蕩漾的波動(dòng)態(tài)，但它不能同時(shí)表現(xiàn)出這兩種特性——它究竟呈現(xiàn)哪種特性要取決于實(shí)驗(yàn)者如何去測(cè)量它。早在20世紀(jì)70年代末期，著名的理論物理學(xué)家約翰·惠勒就意識(shí)到，實(shí)驗(yàn)者甚至可以延遲做出這個(gè)選擇，比如直到光量子幾乎完全通過一些設(shè)備之后，這證明了光量子的行為是不可預(yù)測(cè)的。
慧勒曾設(shè)想通過所謂的Mach-Zehnder干涉儀一次一個(gè)地發(fā)送光子，這一方法強(qiáng)調(diào)了光的波動(dòng)性。借助一種鏡狀“分束器”，干涉儀會(huì)將進(jìn)入其內(nèi)的光子的量子波分成兩半，并將這兩個(gè)波沿著不同的路徑發(fā)出，就像兩個(gè)人沿著相反的方向行走一樣。然后，第二個(gè)分束器再重新組合這兩個(gè)相互干涉的波，以將光子引流到檢測(cè)器中。哪個(gè)檢測(cè)器會(huì)被觸發(fā)取決于兩個(gè)路徑長度的差異，這也正是預(yù)期中干涉波間通常會(huì)具有的情況。
光量子通常通過Mach-Zehnder干涉儀的兩條路徑，波動(dòng)干涉可以將其分流到其中一個(gè)檢測(cè)器上。移除第二個(gè)光束分離器，光量子就會(huì)像一個(gè)粒子一樣，必須采取其中一條路徑，不論路徑長度如何，都會(huì)以相同的概率落在檢測(cè)器上。Wheeler意識(shí)到，實(shí)驗(yàn)者甚至可以等到去除第二個(gè)分束器，等到光子通過第一個(gè)分束器之后，再進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)斷言表明了一個(gè)奇怪的結(jié)論，那就是當(dāng)下的選擇和決策竟然決定了過去的事件：光量子是分裂呈現(xiàn)波動(dòng)性還是通過單一路徑呈現(xiàn)粒子性。量子理論中假設(shè)光子直到測(cè)量之前都保持著波粒二象性，從而巧妙避開了這個(gè)問題。
圖|研究光量子“波粒性”的實(shí)驗(yàn)原理圖（光量子通常通過Mach-Zehnder干涉儀的兩條路徑，波動(dòng)干涉可以將其分流到其中一個(gè)檢測(cè)器上。移除第二個(gè)光束分離器，光量子就會(huì)像一個(gè)粒子一樣，必須采取其中一條路徑，等可能性地碰到任一個(gè)探測(cè)器。）
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