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1、惠勒延迟选择实验是态叠加原理纯概率解释的终结（作者：夏烆光）（Email: ）【内容提要】：本文从约翰惠勒的延迟选择实验现象出发，通过系统地分析证明，这一实验结果反倒是微观粒子波粒二象性物理本质的重要实验证据。正因为光子的波粒二象性，造成它的自干涉现象。随后，深入地分析了态叠加原理的物理本质，并指出：主观意识造成叠加原理坍缩，量子叠加态不可克隆，以及时间顺序可以本末颠倒等否定因果定律的观点，都是基于哥本哈根学派对量子力学的态叠加原理缺乏正确认识所作出的荒谬推论。【关 键 词】：约翰惠勒 延迟选择实验 哥本哈根学派 自干涉现象 波粒二象性 态叠加原理与坍缩 潘建伟院士 隐性传态 量子态不可克隆
2、广义时空相对论引 言约翰阿奇博尔德惠勒（John Archibald Wheeler），于1911年7月9日出生在美国的佛罗里达州。生前是美国自然科学院院士和文理科学院院士，曾任美国物理学会主席。1979年，在纪念爱因斯坦100周年诞辰的学术研讨会上，他提出了一个著名的“延迟选择实验”。这个“思想实验”不但具有真正的可操作性，而且可以在宇宙尺度上操作已经发生过的事情。按着这个实验结果：时间中的“过去”、“现在”、和“未来”等，统统是一些“子虚乌有”的概念。客观上，并不存在时间的先后顺序，等等。针对这个实验结果，惠勒本人还给出了一个颠覆人们传统时间观念的结论。他说：“我们此时此刻作出的决定，对于
3、我们有足够理由说，它对已经发生了的事件产生了不可逃避的影响”。即是说，此时所作出的决定，会影响光子过去已经发生了的事情。换言之，观测者当下的主观行为改变着光子“过去”已经发生了的行为。所以，当代的物理学家们几乎一致地相信：这个实验结果是对现代物理学和一切自然科学的“革命性的颠覆”。甚至有人还打趣地说道：至少今后的孩子们，小学到大学物理教科书的最后一章，再也不必停留在，不是爱因斯坦的“相对论”，就是“量子力学”了；甚至，连霍金的时间简史也将成为物理学的历史记忆，。1、惠勒“延迟选择实验”的方案设计。下图是惠勒延迟选择实验方案的光路图。图中的最左侧，是一个激光脉冲源（laser pulse sou
4、rce），单个光子就是由这里发出的。单光子到达半镀银的反射镜BS1之后，一部分光子可以穿过这个半镀银反射镜BS1到达全反射镜M2；另一部分直接由半反射镜BS1使其偏转九十度角而到达全反射镜M1。全反射镜M1和M2将迫使这两部分光子，分别地经由I1和I2两条不同的光路，在终点处发生交叉。因为在终点附近安放着两个探测装置D1和D2。它们可以探知那个光子是经过I1飞来的，那个光子是经过I2飞来的。如果在终点处也插入一块半镀银的反射镜BS2，那么通过调整BS1M1BS2和BS1M2BS2这两条路径上飞来光子的相位，便可以造成这两个光子在终点BS2处发生“相互干涉”，结果，光子在水平方向上、或者是在竖直
5、方向上，会对应地出现“互相抵消”、或者“相互增强”的干涉条纹。惠勒的延迟选择实验结果还表明，即使激光脉冲源每次只向半镀银的分光镜BS1发出一个光子，经过了一段足够长的时间间隔之后，依然可以在BS2处看到同样的干涉条纹。其他人后来所进行的重复实验，得到的实验结果也完全是这样的。这就充分地说明，惠勒的实验结果是真实可靠的。这个实验结果同时表明，如果人们不在终点处放置半镀银的反射镜BS2，则光子就只沿着一条自己事先选择好的任何一条路径直接地奔向终点处，并不呈现任何干涉条纹；相反地，如果在终点处安放了半反射镜BS2，光子就立刻呈现出这种干涉条纹。这里，最让人感到不可思议得现象是，半反射镜安放的时间顺序
6、与实验结果的相互关系。因为实验中，人们完全可以做到：把安放BS2的时间点，选择在光子已经通过了半反射镜BS1，但是尚未到达终点之前。结果，照样呈现出相同的干涉条纹。于是，这些实验者们便得出结论：实验者加入分光镜BS2（即观察）、或者是不加入分光镜BS2（不观察）的主观行为，改变了单个光子事先已经“安排好”的前进路径。并且，由于单光子通过BS1的行为“在先”，观测者安放BS2的行为“在后”。于是，那些持有哥本哈根学派观点的人们，便开始认为：这是观测者（主体）“在后”所发生的“主观行为”，改变着光子（客体）“在先”已经发生了的“客观行为”。表面上看，这的确是时间顺序的概念已经失效，在后的行为决定着
7、在先的行为，因果关系并不成立。不难看出，做如此推论的逻辑前提必然是，他们绝对肯定地认为：只有光子同时通过两条路径，并在终点处相互交汇，才能产生这种干涉条纹。换言之，他们认为：两条路径上光子的交汇，是产生干涉条纹的充要条件。正因为如此，所以他们武断地认定：是主体“在后”安放BS2的行为，改变了客体“在先”已经通过了BS1的事实（参见【1】）。2、哥本哈根学派把这个实验结果看成是不确定原理的实验证据。针对这个实验结果，惠勒本人曾经反复强调地说：“没有一个基本量子现象是一个现象，直到它是一个被记录（观察）的现象”；或者说，“并没有一个过去预先存在着的（现象），除非它被现在所记录”。不难看出，基于这个
8、实验结果，惠勒更加肯定了哥本哈根学派对量子力学波函数机率诠释的观点。并且延伸地指出，波函数的机率解释不仅适用于空间上，而且可以拓展到时间上。即是说，不仅在空间位置上，微观粒子是随机的，不确定的；而且在时间顺序上，微观粒子也是随机的，不确定的。自从惠勒的延迟选择实验被发现之后，现代物理学几乎全盘地接受了哥本哈根学派的观点，几乎一致地认为：人们后来的主观选择（观测行为），可以改变光子（客观事件）先前已经发生过了的客观行为。所以他们说：“任何一种基本量子现象只是在其被记录（观测）之后，才算作一种现象”。以前，量子力学创始人之一玻尔曾说过：“在观察发生之前，没有任何物理量是客观实在的”。即是说，人的“
9、观察行为”创造了外部世界的“全部实相”这是哥本哈根学派的核心观点。在惠勒延迟选择实验结果的基础上，哥本哈根学派的后继者们，更进一步地拓展了上述观点而提出：观察不但可以创造外部世界的实相，而且事件本身也可以是“后果在先，前因在后”。换句话说，在哥本哈根学派的观点中，“因果定律”根本就不成立！在他们看来，不仅微观粒子的位置不能确定下来，而且在这个位置上的时间顺序也是不确定下来的！最后，他们只好得出结论：关于“现实世界具有客观实在性”的世界观，已经彻底的失败。难道情况果真如此吗？！难道真地是只有两条路上同时飞来的光子之间，才是形成干涉条纹的真正原因吗？！难道真的是因果规律已经不成立了吗？！难道真的是
10、现实世界的客观实在性已经彻底的失败了吗？！为了准确地回答这些十分重大而又严肃的物理问题与哲学问题，我们必须先来系统地介绍几个与这些问题有关的量子力学与量子光学知识。一 否定延迟选择实验的哥本哈根解释首先我认为，惠勒的延迟选择实验，不仅不是支持哥本哈根学派对于量子力学波函数机率解释的实验证据，相反地，倒是推翻哥本哈根学派机率解释的实验证据。因为，惠勒的延迟选择实验结果恰好证明：单光子本身存在着“自干涉”这一量子物理现象。为了证实单光子“自干涉”这种量子现象的存在，或者说，为了有理有据地推翻哥本哈根学派关于惠勒延迟选择实验的荒谬解释，在这里，我也设计了一个与惠勒延迟选择实验“唱反调”的物理实验。详
11、见右侧的光路示意图。图中，我在惠勒延迟选择实验光路图的基础上，添加了两个高性能的双通道高消光比的“偏振分光棱镜”PBS1和PBS2。一般的分棱镜反射通道的消光比较差。为此，这里一定要采用通过独特镀膜优化设计的高性能双通道高消光比的“偏振分光棱镜”。整个实验的操作程序与惠勒的延迟选择实验的操作步骤完全相同。即分别地调整光路I1、和光路I2到达BS1或BS2的“相位”，从而确认光子在BS1和BS2处的干涉情况。PBS1和PBS2都是半镀银的反射镜，确保实验条件与惠勒的实验设备的特性相同。事实上，本人并没现实条件来进行这个具体的实验。只不过是，根据我的主观判断，任何情况下的实验结果，都会表现出相同的
12、干涉条纹。如果情况果真如同我的判断那样，就可以肯定，哥本哈根学派关于惠勒延迟选择实验机率解释的观点是荒谬的。同时也就准确地证明：干涉条纹出现的真正原因是基于单光子在通过半镀银反光镜（BS1或BS2）时，都会发生单光子“自干涉”的量子现象。那么，单光子为什么会发生“自干涉”这种量子现象呢？这是下面我立刻就来回答的问题。二 波粒二象性是单光子自干涉现象的根本原因为了透彻地阐明这个问题，我们必须首先找出微观粒子“波粒二象性”的物理本质。为了令人信服的阐明微观粒子波粒二象性的物理本质，必须首先对下述有关问题做较为详尽地分析与阐明：1、正弦横振光波的偏振特征。按着已有的量子光学知识，具有横向正弦振动特征
13、的光波，其偏振方向是不断改变的（参见右图）。为了证实这个结论也适用于单个光子，原则上，本应首先设计一个物理实验，来验证单光子经过偏振器之后，其偏振方向是否不再发生任何改变？还是继续像光束一样不断地发生改变？因为，如果它在中途依然不断地改变着偏振方向，就说明单光子和多光子构成的光束，其偏振特性完全相同。否则就说明，单光子的偏振特性与光束的偏振特性截然不同。现有的物理光学知识告诉我们，多光子束的偏振方向，是时时刻刻发生着变化的（详见上图和参考文献【2】）。值得庆幸地是，潘建伟团队在研究量子隐形传态的过程中，为了构造量子纠缠对，也利用了单光子水平偏振态和垂直偏振态的纠缠。在他们的实验光路图中，也有单
14、光子多次通过半反射分光镜的情况存在。这就免费地为我们提供了必要的实验证据。实验结果证明，单光子在传播过程中的偏振与光束的偏振特性完全一样，也是随时地发生着偏振方向改变的。2、潘建伟团队多光子纠缠实验所使用的光路图。诚如所知，这个团队为了构造多光子的纠缠态，设计了一组具体的实验光路图。其中的图1表明：一个紫外光脉冲照射到一个BBO晶体上，会有一定概率产生一对光子(o和e)。这一对光子通过偏振分束器(PBS)上的一次干涉，使o光子、和e光子都可以形成水平偏振H、和竖直偏振V的“叠加态”。于是，o光子和e光子都会形成一个量子“纠缠态”|HH+|VV(即o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振；反之o光
15、子是V偏振时，e光子一定也是V偏振)。不言而喻，我们这里并不是关心他们所研究的纠缠态的具体成就如何，而只是关心单个光子经过了一次偏振之后，所分解出来的偏振方向，是否能够一直保持下去而不再发生改变？亦或是，单光子和光束一样，其偏振方向依然是随时随地得不断改变？图2就是潘建伟团队所设计的8光子纠缠态的光路图。这个光路图的原理，是把双光子干涉所构成的纠缠方法经过层层累加，最后构成了8光子的量子纠缠态。因为这项研究成就，该团队获得了2016年国家自然科学一等奖（参见【3】）。3、光波水平偏振与垂直偏振的由来。普遍地认为，光波是一种物质波。物质波本是一种机率波动，或叫概率波动。那么，机率波动为什么又是正
16、弦的横向波动呢？广义时空相对论为我们从理论上给出了具体的解释。根据广义时空相对论我们导出，引力场中光子（微观粒子）的运动方程组为（1）式中，是微观粒子绕着前进方向公转运动的绝对线速度，是粒子公转运动的向心加速度，是粒子公转运动的曲率（），是粒子公转运动的曲率半径，则是粒子自旋运动的挠率。须指出，这里的时空变量依然是定域的和连续的。连续性是微积分学成立的前提条件（参见【4】）。上式中的第三个方程表明：微观粒子在均匀引力场中前进的同时，不仅存在着沿切线方向的“公转”运动，而且还存在着以副法线为旋转轴的“自旋”运动。再加上它沿着时间轴、以光速的直线运动，这三种运动状态的叠加结果，使微观粒子的“运动轨迹”成为一条直线前进的“螺旋线”。其微观图像，可以参考上述关于圆偏振光或椭圆偏振光运动特征的示意图。广义时空相对论的这一理论结
