延迟实验

爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出的实验

“延迟实验”是由爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出的，1979年为纪念爱因斯坦诞辰100周年而在普林斯顿召开了一场讨论会，会上约翰·惠勒提出了“延迟实验”的构想，惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出，对电子的双缝干涉进行了进一步思考，并指出我们可以“延迟”电子的决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝还是两条。此种说法震惊当时的学术界。

提出过程

1979年是爱因斯坦诞辰100周年，在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在会上，爱因斯坦的同事，也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒（John Wheeler）提出了一个相当令人吃惊的构想，也就是所谓的“延迟实验”（delayed choice experiment）。在粒子流很弱、粒子一个一个地射入多次重复实验中显示的干涉效应表明，微观粒子的波动性不是大量粒子聚集的性质，单个粒子即具有波动性。于是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在双孔实验中双孔又是同时起作用的，因此，对于微观粒子谈论它的运动轨道是没有意义的。

基本思路

实验的基本思路是，用涂着半镀银的反射镜来代替双缝。一个光子有一半可能通过反射镜，一半可能被反射，这是一个量子随机过程，跟它选择双缝还是单缝本质上是一样的。把反射镜和光子入射途径摆成45度角，那么它一半可能直飞，另一半可能被反射成90度角。但是，我们可以通过另外的全反射镜，把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观察光子飞来的方向，我们可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。

但是，我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜，这又会造成光子的自我干涉。如果我们仔细安排位相，我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消，而在一个确定的方向输出。这样的话我们每次都得到一个确定的结果（就像每次都得到一个特定的干涉条纹一样），根据量子派的说法，此时光子必定同时沿着两条途径而来！

总而言之，如果我们不在终点处插入半反射镜，光子就沿着某一条道路而来，反之它就同时经过两条道路。问题是，是不是要在终点处插入半透镜，这可以在光子实际通过了第一块反射镜，已经快要到达终点时才决定。我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生！如果说我们是这出好戏的导演的话，那么我们的光子在其中究竟扮演了什么角色，这可以等电影拍完以后再由我们决定！

虽然听上去古怪，但这却是哥本哈根派的一个正统推论！惠勒后来引玻尔的话说，“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，我们是在光子上路之前还是途中来做出决定，这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。更精确地说，光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里，是个什么，是一个无意义的问题，我们没有权利去谈论它，它不是一个“客观真实”！惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点，龙的头和尾巴（输入输出）都是确定的清晰的，但它的身体（路径）却是一团迷雾，没有人可以说清。

在惠勒的构想提出5年后，马里兰大学的卡洛尔·阿雷（Carroll O Alley）和其同事当真做了一个延迟实验，其结果真的证明，我们何时选择光子的“模式”，这对于实验结果是无影响的（和玻尔预言的一样，和爱因斯坦的相反！），与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。

这样稀奇古怪的事情说明了什么呢？

经典实验

John Archibald Wheeler是那些认真考虑过量子力学的人之一。在研究了哥本哈根对双缝实验的解释——强调观察者知道的和观察者何时知道——之后，惠勒认识到观察者的选择可能会控制那些到实验中的变量。

“如果你说的是真的”惠勒说（事实上），“那么我会在一件事情可能已经发生后再选择知道一个特性”惠勒意识到在这种情况下，观察者的选择可能会决定实验的结果——而无论是否实验的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定。

“没有意义”简化主义者们说。“垃圾”唯物主义者们说。“完全荒谬”幼稚的现实主义者们说。“是的”数学家们说。惠勒的思想实验和量子力学的预言被带到了实验室中，接受实践的检验。以下就是所发生的。

基本延迟实验（Basic delayed choice）

1. 一个光子（或者一个其他量子单位）被向双缝发射。

2. 此光子不被观察地从双缝中穿过，逻辑上，或者穿过双缝中的一个，或者穿过另一个，或者穿过两个。为了得到干涉图样，我们假设有某种东西一定穿过了双缝；为了了解粒子的分布情况，我们假设此光子一定穿过了双缝中的一个。无论此光子怎样运动，它都被假定在穿过的时候只穿过一个缝。

3. 在穿过缝之后，光子就会朝着后墙飞去。

4. 在后墙上，我们有两种分别的方法来探测此光子。

5. 第一，我们有一个测量屏幕（或者其他可以测量光子打击到后幕上的水平位置，但是却不能区分光子从哪个方向飞过来的探测系统）。这个测量屏幕可以移动，并且它还可以很快速的移动，即它可以在光子通过狭缝之后但是接触到后幕之前快速移动。或者，测量屏幕可以适当地离开。这种离开是实验者的决定，这个决定直到光子已经通过狭缝后才被作出。

6. 一旦我们屏幕被去掉（此处的去掉不是屏幕的移动，而是在光子已经到了区域3时我们决定不使用屏幕，而是改用测量镜头），那么我们启动两个观测镜头。镜头紧密地聚焦，观察，观测两个狭缝之一之后的狭小空间。左边的镜头观测左边的狭缝，右边的镜头观测右边的狭缝。（在这里镜头的作用是确保如果此光子全部或者部分地从观察狭缝穿过时，你通过相应的镜头观测此狭缝的时候，你就会看见亮光，这样的话你就得到了关于光子究竟通过那个狭缝的信息。）

光子已经在区域3了，即光子已经穿过狭缝了。此时，继续使用测量屏幕进行光子干涉实验——我们仍可以选择适当移动测量屏幕，在此情况下，我们不知道光子穿过的是哪条狭缝。

改用测量镜头测量光子的粒子行为——或者我们选测去掉测量屏幕。如果我们这样做就会立即启动测量镜头，我们将会预计在左右两个镜头之一之中会有亮光，（或者两个镜头都会同时看见，但是我们预计这种情况不会发生）为什么？因为此光子必须通过或者左边，或者右边，或者两边的狭缝进入区域3。这就是所有的可能性。当我们通过镜头观察双缝，必定或看到以下情况之一：

在左边的镜头中有亮光，而右边的镜头没有，这表明了光子从左边的狭缝进入区域3的。

在右边的镜头中有亮光，而左边的镜头没有，这表明了光子从右边的狭缝进入区域3的。

两边的镜头同时都有半强的亮光，这表明了光子同时从双缝穿过。

哲学就是全部的可能性。

基于对观测屏幕的观察，量子力学告诉我们我们得到了什么：Pattern4r，其图案与由两列对称波分别通过各自狭缝所造成的干涉图像极其相似。

基于对镜头的观察，量子力学告诉我们我们得到了什么：Pattern5r，其完全相似于粒子从源处过来，通过这个或者那个狭缝，形成的亮光，并且在镜头中被我们观察到了。

考虑不同的实验观测方式造成的不同结果—在光子已经进入区域3时，如果我们决定适当地移动测量屏幕，则我们会得到光子的波动性质的结论。另一方面，如果我们此时去掉测量屏幕而改用测量镜头的话，我们就会得到光子的粒子效应的结论。

recommend it), the particle exhibited after-the-fact wave-like behavior at the slits if you chose the screen; and it exhibited after-the-fact particle-like behavior at the slits if you chose the telescopes. Therefore, our delayed choice of how to measure the particle determines how the particle actually behaved at an earlier time.

Source: Wheeler's Classic Delayed Choice Experiment

by Ross Rhodes

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