QMQM shocks our common-senseshocks our common-sense• • 我们的常识，被量子力学颠覆了我们的常识，被量子力学颠覆了 • • 矛盾的事情可以共存矛盾的事情可以共存————一个物体可以在同一个物体可以在同 一时刻沿两条不同的路径运动；一时刻沿两条不同的路径运动； • • 物体不能同时拥有精确的位置和速度；物体不能同时拥有精确的位置和速度； • • 我们观察到的事物的性质遵从着无法根除的我们观察到的事物的性质遵从着无法根除的 随机性；随机性； • • 我们作为观察者，我们的观察活动却影响了我们作为观察者，我们的观察活动却影响了 观察对象的性质观察对象的性质 • • Do the mystical things are far away from Do the mystical things are far away from us???us???• • 是否量子现象只在微观系统才明显？是否量子现象只在微观系统才明显？ • • 是否只有实验室中你才能用特殊的方法观是否只有实验室中你才能用特殊的方法观 察到它们？察到它们？ • • 或者只能在电视上的科学节目中看到它们或者只能在电视上的科学节目中看到它们 ？？ • • ………the answer here is NO~!!!………the answer here is NO~!!! • • 接下来这个实验，我们可以用很简单的方接下来这个实验，我们可以用很简单的方 法完成，却涉及量子力学最怪异的特性之法完成，却涉及量子力学最怪异的特性之 一一————略施小技我们就能改变过去已经发略施小技我们就能改变过去已经发 生的事件生的事件————即所谓的即所谓的量子擦除效应量子擦除效应Before the experiment:Before the experiment:• • 有一点在实验开始前要事先说明：有一点在实验开始前要事先说明： 如果你成如果你成 功地完成了这个实验，你将会看到干涉图样，功地完成了这个实验，你将会看到干涉图样， 这种图样可以用光的经典波动理论来解释。
似这种图样可以用光的经典波动理论来解释似 乎这里面没有量子力学然而，其实是每个光乎这里面没有量子力学然而，其实是每个光 子确实按照量子规律在运动，不过要证明这一子确实按照量子规律在运动，不过要证明这一 点，你需要一个一次只发送一个光子的实验装点，你需要一个一次只发送一个光子的实验装 置，并逐个对它们进行探测置，并逐个对它们进行探测 • • 如果手边没有这样的装置，请你一边观察干涉如果手边没有这样的装置，请你一边观察干涉 图样，一边想象它对应于单个光子的情形，去图样，一边想象它对应于单个光子的情形，去 领略量子世界的神奇领略量子世界的神奇Let’s begin our experiment right Let’s begin our experiment right now~!now~!• • 实验装置实验装置：：偏振片偏振片：灰白色的高质量（实验级）偏振膜能取得：灰白色的高质量（实验级）偏振膜能取得 最佳效果不要用有颜色的偏振片把偏振片或偏振膜最佳效果不要用有颜色的偏振片把偏振片或偏振膜 切割成切割成6 6个方块，每块边长约个方块，每块边长约5 5厘米激光源激光源：在它前面加一偏振片，使它发出的偏振光：在它前面加一偏振片，使它发出的偏振光 与竖直成与竖直成4545度夹角。
度夹角一根细而直的一根细而直的金属丝金属丝一些一些锡纸锡纸，一根用来在上面轧孔的大头针光束穿，一根用来在上面轧孔的大头针光束穿 过锡纸上的针孔后，会扩散成一束窄圆锥光束使用针过锡纸上的针孔后，会扩散成一束窄圆锥光束使用针 孔会使干涉图样变暗，但效果会更好孔会使干涉图样变暗，但效果会更好一些一些架子架子，用来固定实验仪器用来固定实验仪器一个一个接收屏接收屏，可用墙面或白纸可用墙面或白纸实验过程实验过程• • 第一步第一步: : 看到干涉看到干涉金属丝放在激光器前金属丝放在激光器前 面面, ,将在屏上出现干涉将在屏上出现干涉 条纹条纹. .解释解释: :金属丝左边经过的光金属丝左边经过的光 和右边经过的光合在和右边经过的光合在 一起一起, ,发生了干涉发生了干涉. .• • 量子解释量子解释: :因为无论光从左边或因为无论光从左边或 是右边经过是右边经过, ,我们都无我们都无 法得知法得知, ,于是光子是从于是光子是从 左边和右边一起通过左边和右边一起通过 的的. .实验过程实验过程• • 第二步第二步: : 标出路径标出路径拿两块偏振膜拿两块偏振膜, ,旋转其中一块旋转其中一块, ,让两个偏光轴相垂直让两个偏光轴相垂直. .用胶带将两用胶带将两片膜粘在一起片膜粘在一起, ,不要留下空隙不要留下空隙, ,也不也不要重叠要重叠. .沿着上边缘和下边缘粘胶沿着上边缘和下边缘粘胶带带, ,以防胶带挡住光束以防胶带挡住光束. .这就是我们这就是我们的路径标志器的路径标志器. .把金属丝粘在两块膜相连的把金属丝粘在两块膜相连的地方地方. .我们将左手边偏光膜的偏光我们将左手边偏光膜的偏光轴方向称为竖直方向轴方向称为竖直方向, ,标记为标记为V;V;右右手边偏光膜的方向称为水平方向手边偏光膜的方向称为水平方向, ,标记为标记为H;(H;(这只是为了标记方便这只是为了标记方便, ,并并非实际的偏振方向非实际的偏振方向) )• • 量子解释量子解释: :如果光从左边经过如果光从左边经过, ,则偏振方向则偏振方向 是是V;V;如果光从右边经过如果光从右边经过, ,则偏振方则偏振方 向是向是H.H. 这时，标志器使光子携这时，标志器使光子携 带了自己的路径信息，所以光子带了自己的路径信息，所以光子 不在从两边过了，而是每个光子不在从两边过了，而是每个光子 都有一个固定的路径：或左或右都有一个固定的路径：或左或右 。
并且，即使你不探测，即不去并且，即使你不探测，即不去 读取它的路径信息，干涉条纹也读取它的路径信息，干涉条纹也 会消失看到现象:干涉条纹消失了.实验过程实验过程• • 第三步：第三步： 选出经过选出经过左边的光子左边的光子将第三块偏光膜（我们将第三块偏光膜（我们称之为称之为“ “分析器分析器” ”）放在标志器）放在标志器和屏幕之间，并将它的偏光和屏幕之间，并将它的偏光轴旋转至轴旋转至V V偏振方向偏振方向分析器会挡住所有从右边分析器会挡住所有从右边经过的光子，而让左边经过经过的光子，而让左边经过的光子通过的光子通过实验现象实验现象：屏幕图像与上一：屏幕图像与上一 步几乎一样只是右侧更暗更步几乎一样只是右侧更暗更小一些其实这些光完全是小一些其实这些光完全是左侧的光瓣扩展而成的左侧的光瓣扩展而成的• • 第四步：第四步： 选出经过选出经过右边的光子右边的光子将分析器偏光轴转至将分析器偏光轴转至H H方向分析器会挡住所有从左分析器会挡住所有从左边经过的光子，而让右边经边经过的光子，而让右边经过的光子通过过的光子通过实验现象实验现象：屏幕图像与上：屏幕图像与上 一步几乎一样只是左侧更暗一步几乎一样只是左侧更暗更小一些。
其实这些光完全更小一些其实这些光完全是右侧的光瓣扩展而成的是右侧的光瓣扩展而成的光强之和等于第二步的光强选出左边的光子：选出右边的光子：实验过程实验过程• • 第五步：擦除路径第五步：擦除路径 信息将一块偏光膜的偏光轴将一块偏光膜的偏光轴 方向顺时针旋转方向顺时针旋转4545度，度， 我们称这个方向为对角我们称这个方向为对角 方向，记为方向，记为D D实验现象实验现象：： 干涉条纹再次出现了！干涉条纹再次出现了！• • 量子解释：量子解释：偏光膜抹去了每个光子偏光膜抹去了每个光子 所经路径的信息现在所经路径的信息现在 每个从左边经过的每个从左边经过的V V光子光子 有有50%50%的几率穿过偏光的几率穿过偏光 膜到达屏幕，右边的膜到达屏幕，右边的H H光光 子也一样两种情形下子也一样两种情形下 ，到达屏幕的光子都变，到达屏幕的光子都变 成了成了D D偏振，因此无法分偏振，因此无法分 辨每个光子是从哪边经辨每个光子是从哪边经 过的于是，每个光子过的于是，每个光子 又似乎同时从两边经过又似乎同时从两边经过 ，与自身发生了干涉与自身发生了干涉实验过程实验过程• • 第六步：反向量子第六步：反向量子 橡皮擦橡皮擦将偏光膜的偏光轴从将偏光膜的偏光轴从V V方方 向逆时针旋转向逆时针旋转4545度，我们称度，我们称 为反对角方向，标记为为反对角方向，标记为A A。
实验现象：实验现象：干涉条纹再次出现，不干涉条纹再次出现，不 过与上步相比，位置好像略过与上步相比，位置好像略 微错开了一点微错开了一点A A偏振橡皮擦偏振橡皮擦 产生的干涉图样中的亮纹，产生的干涉图样中的亮纹， 恰好是恰好是D D偏振橡皮擦产生干涉偏振橡皮擦产生干涉 图样中的暗纹图样中的暗纹• • 第七步：第七步： 同时使用同时使用两种橡皮擦两种橡皮擦将将D D偏光膜和偏光膜和A A偏光膜都偏光膜都沿水平对角线方向剪开沿水平对角线方向剪开把把D D的上半部分和的上半部分和A A的下的下半部分合在一起半部分合在一起把混合橡皮擦放在光路把混合橡皮擦放在光路中实验现象实验现象：：D D偏振橡皮擦对应的干涉偏振橡皮擦对应的干涉条纹出现在光斑的上半部分条纹出现在光斑的上半部分，而，而A A偏振橡皮擦的相应条文偏振橡皮擦的相应条文出现在下半部分干涉图样出现在下半部分干涉图样看起来就像是没有对齐的牙看起来就像是没有对齐的牙齿擦除路径信息反向擦 除路径 信息同时使用两种橡皮擦实验结论：实验结论：• • 1.1.在第二、三、四步中，没有干涉发生，每个在第二、三、四步中，没有干涉发生，每个 光子都从金属丝的一边或是另一边经过；而在光子都从金属丝的一边或是另一边经过；而在 其它步骤中，光子看起来是同时从两边经过的其它步骤中，光子看起来是同时从两边经过的 。
• • 2.2.光子在经过金属丝后遇到的装置（分析器，光子在经过金属丝后遇到的装置（分析器， 橡皮擦或者只是一块屏幕），似乎决定了光子橡皮擦或者只是一块屏幕），似乎决定了光子 先前到底从金属丝的两边同时经过，还是只从先前到底从金属丝的两边同时经过，还是只从 其中一边经过其中一边经过 • • 3.3.从第六、七步表明，有关光子的路径信息，从第六、七步表明，有关光子的路径信息， 可以有不止一种的擦除方式可以有不止一种的擦除方式Give the experiment an explanation:Give the experiment an explanation: 量子橡皮擦擦去了什么？？？量子橡皮擦擦去了什么？？？• • 先来看几个概念：先来看几个概念： • • 量子叠加（量子叠加（superpositionsuperposition））：： 条件：只有当每个粒子都能从双缝中的任条件：只有当每个粒子都能从双缝中的任 意一条通过，同时又无法确定它从哪条缝意一条通过，同时又无法确定它从哪条缝 通过时，干涉条纹才会出现通过时，干涉条纹才会出现即，当几种即，当几种不可区分的可能性不可区分的可能性以某种方以某种方 式结合在一起时，这种情形就被称为量子式结合在一起时，这种情形就被称为量子 叠加。
叠加Give the experiment an explanation:Give the experiment an explanation: 量子橡皮擦擦去了什么？？？量子橡皮擦擦去了什么？？？• • 该实验中，破坏了量子叠加条件中的该实验中。