在上一期內(nèi)容中我講解了單電子雙縫干涉實驗里面的一個誤區(qū)，那就是很多人認(rèn)為放一個檢測儀到雙縫發(fā)現(xiàn)后面的干涉條紋消失，從而就說明這是“量子擦除現(xiàn)象”，其實誠如上一期末尾所言，這并非量子擦除，而什么是真正的量子擦除實驗?zāi)?？我來慢慢說。
為了照顧沒看前面幾期文章的朋友，我再簡單說下“電子雙縫干涉實驗”，其實就是拿一個電子槍往雙縫不斷打電子，電子在雙縫后面會撞到擋板形成一個亮點，實驗重要環(huán)節(jié)在于，電子必須一個一個打過去，千萬不能同時打出兩個或更多電子，否則會干擾實驗，如下圖所示。
首先我們明白，當(dāng)你做這個實驗后，你會發(fā)現(xiàn)，就算你是一個一個把電子打過去，擋板后面依然形成了明暗相間的干涉條紋，這說明電子發(fā)生了干涉，但是每次通過狹縫的只有一個電子，怎么會產(chǎn)生干涉呢？唯一合理的解釋就是，電子自己和自己干涉，也就是一個電子同時通過了兩個狹縫，這都是之前文章講解的，并不稀奇，但問題關(guān)鍵在于當(dāng)我們想去看電子到底是不是同時通過兩個狹縫時，我們把兩個電子檢測儀器裝到兩個狹縫后面，每個狹縫各裝一個檢測儀，我們再次做這個實驗會發(fā)現(xiàn)，干涉條紋消失了。
所以很多人馬上得出結(jié)論，這就是“量子擦除”，但是誠如上期所言，這并不是真正的量子擦除，因為當(dāng)你放檢測儀到狹縫后面，電子直接撞到檢測儀就被吸收了，電子壓根就不會走到后面的擋板，自然就沒有干涉條紋了。
但是我們?nèi)绻胫离娮拥降淄ㄟ^哪條狹縫，除了在狹縫后面放檢測儀之外，也沒其他辦法了啊。其實我要告訴大家的是，我們要想知道電子到底通過哪條狹縫，不一定要放一個儀器去觀察，我們可以間接觀察，怎么個間接觀察呢？
這里就要談到真正的“量子擦除效應(yīng)實驗”，這個實驗不是用電子來做，是用光子來做，首先我們還是有一個光源可以每次只發(fā)射一個光子，然后讓一個分光片把光分為兩束光，這里是分光片不是普通的設(shè)備，而是BBO，其作用是可以使得這個光子分成兩束光子后形成“糾纏態(tài)”，一旦兩個光子形成糾纏態(tài)，只要對其中一束光子偏振性測量發(fā)現(xiàn)是↑（也就是向上偏振），那么另一束光子不用測量也知道是↓（向下偏振），也就是處于糾纏態(tài)的兩個光子總是反向偏振的（這里就不解釋啥叫偏振了，你只需知道這是光子的一個屬性即可）。
同時我還要解釋一個設(shè)備，那就是“四分之一波片”，一個光子經(jīng)過這個波片，根據(jù)這個光子到底是向上還是向下偏振，這個波片會讓這個光子變成順時針或者逆時針偏振。
好了，這些設(shè)備介紹完了，我們就可以開始試驗了，具體策略就是如下圖所示。首先讓一個光子搶打一個光子出來，經(jīng)過BBO會并分兩路分為兩個光子，一個光子走路線1，一個光子走路線2，其中路線2放一個雙縫，并在雙縫前面放兩個“四分之一波片”用于給通過雙縫的光子做標(biāo)記（請注意是在雙縫前面放，不是后面放），最后在路線2的雙縫后面放一個探測器B用于檢測光子是否形成干涉。當(dāng)然路線1的末尾也放一個探測器A用于檢測這路光子的偏振到底是向上還是向下。
那么我們就來分析以上實驗的內(nèi)涵，首先假設(shè)路線1的探測器A檢測這路光子假設(shè)偏振是↑，由于糾纏態(tài)特性，路線2的光子偏振肯定是↓，但是我們并不知道路線2光子會經(jīng)過哪個狹縫，所以我們在狹縫前面放了“四分之一波片甲”和“四分之一波片乙”。這里要注意一個關(guān)鍵點：
如果偏振↓的光子經(jīng)過甲，光子會變“逆時針偏振”，如果經(jīng)過乙，光子會變“順時針偏振”，所以探測器B只需檢測光子到底是順時針還是逆時針，就可以知道光子經(jīng)過了哪條狹縫。
但是如果路線1的探測器A檢測到光子偏振是↓，那么路線2的光子偏振肯定是↑，此時經(jīng)過甲和乙兩個波片得出的結(jié)論會和剛剛相反，也就是經(jīng)過甲會變“順時針偏振”，經(jīng)過乙會變“逆時針偏振”。
經(jīng)過以上分析我們就可以得出結(jié)論，首先檢測路線A的光子到底是↑還是↓，然后根據(jù)不同情況來看探測器B檢測到的偏振到底是“順時針”還是“逆時針”，從而判斷出光子走路線2到底走的是甲對應(yīng)的狹縫，還是乙對應(yīng)的狹縫。“四分之一波片”相當(dāng)于起到了給光子做標(biāo)記的作用。
當(dāng)你把以上實驗做了后你會發(fā)現(xiàn)，如果探測器B收到的是“逆時針”偏振，且路線B的光子是↑，那么我們可以馬上斷言光子通過了乙對應(yīng)的狹縫，也就是說此時我相當(dāng)于間接測量出來了光子到底通過了哪個狹縫，但是神奇的一幕出現(xiàn)了，探測器B后面的干涉條紋消失了。
也就是說我一旦獲得了光子的路徑信息，曉得了光子到底通過哪個縫，干涉條紋的確消失了。
下面我繼續(xù)改進實驗，我再路線1的光子到達探測器A前加一個起偏器，如下圖所示這個起偏器的作用可以使得路線1的光子既不是↑也不是↓，而是↖。那么根據(jù)糾纏特性，路線2的光子肯定是↗。當(dāng)甲和乙兩個波片收到的光子偏振是斜的，那么就是50%概率使得光子順時針偏振，50%概率逆時針偏振，這樣一來，探測器B檢測收到的光子偏振性就無法判斷出來，到底路線2的光子通過的甲狹縫還是乙狹縫。也就是說這個時候我們把路線2光子經(jīng)過雙縫前的標(biāo)記給“擦除”掉了，此時神奇的一幕再次出現(xiàn)，干涉條紋又回來了。
通過以上實驗我們可以看出，一旦知道光子走哪個縫，干涉條紋消失，不知道走哪個縫，干涉條紋回來了，這個實驗才是真正的體現(xiàn)了“量子擦除效應(yīng)”，大家常見的再探測器后面放檢測儀發(fā)現(xiàn)干涉條紋消失，這種類似的文章其實說明的都不是真正的量子擦除。光子路線和干涉條紋的這種詭異特性，其實這就是波爾提出的“互補原理”，光子的粒子性和波動性是互補的，互補就意味著說你同一個時刻只能獲取其中一個，不能貪多同時獲取2個。這與海森堡的“不確定性”原理是一個道理，微觀粒子的速度和位置你只能同時獲取其中一個，不能兩個一起獲取。
所以大家看了這篇文章，希望能夠深刻認(rèn)識到微觀世界的這種神奇特性，微觀粒子的屬性居然會有互補現(xiàn)象，你同一個時刻只能拿其中一個，如果你要貪多同時拿兩個，那么這兩個屬性值都會不準(zhǔn)確。
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