对量子擦除实验提出解释并在此基础上的提出新的推论简介:本文以延迟选择量子擦除实验elayed Choice Qua ntum Erased)基础,提出两条假设来解释该实验结果,给出证明此假设的实验模型;并在这两条假设的基础上进行推论两年多前与网友们讨论量子力学的时候,最终停留在量子擦除实验,由于当时并不清楚这 个实验是怎么做的,所以并没有继续讨论下去近日偶然看到这个实验的完整做法,令我产生 了许多新的想法故此(2019-2-24)起笔写这篇帖子,记录一下自己的想法先谈谈延迟选择量子擦除实验(Delayed Choice Quantum Eraser),具体实验过程请自习百 度搜索“量子物理的世界,未来真的可以影响过去吗?”,特别是文章最后的那个实验请最好先阅读并理解前文这个实验,因为后面会直接引用部分概念乃至对光子的命名方式, 如不理解前文则无法理解本文为了简洁起见,我们拆除BSA和BSB,让光100%透过,只讨论干涉发生的情况这里的神奇之处在于,BS是一个50%透光镜,导致D1或D2收到信号后不知道是蓝色路 径还是红色路径,也就是说这个光子的路径是不被知道的我想换一种表述:这个光子的路径 信息已经不存在了,这个表述相当重要,我下文会继续讲到。
论到这个信息消失,我想先讨论一下这个问题假设一个光信号发出去了,打在感光屏上, 则这个光子的信息被记录下来了如果打在其他材质上(比如黑体、摄像头),我们就认为光 子的信息消失了(如果是带记录仪的摄像头,则可以认为光子信息转变为了记录仪信息,但是 光子信息本身被认为消失了)但是如果以微观角度来看的话,这个光子去哪里了呢?它可能 撞到一个电子上,然后被这个电子吸收,发生电子跃迁,然后电子又在某个时候跃迁回某个中 等能级,再丢出一个光子,这个光子又被附近某个电子吸收,而原来电子再随机地发生跃迁回 到更低级的能级……等等,这个信号虽然在不断衰减分裂成许多小信号,但是还在没有完全消 失哦也可以说如果我检测一下那个表面是否有一些电子跃迁活动,还是可以判断出光子是不 是来过这里那么究竟这个信号衰减到什么程度才可以被认为消失呢?就是当信号衰减到低于 量子噪声的程度时,就可以认为信息已经消失了或许这个时间非常短暂,但是毕竟应该存在 这么一个过程然后我们回过头来说量子擦除实验一个光子P透过双缝,被BBO分成两个纠缠光子,其 中一个被用于获得衍射或干涉条纹(原文称为P1),另一个被用于被摄像头观察(原文称为 P2)。
我们可以认为,P1就是经过双缝的光子,而P2则是记录P或者说P1穿过哪条缝的信 息从图上看,记录路径信息的光子P2,无论是蓝光子还是红光子,经过BS,都有50%几率 进入D1和50%几率进入D2,导致路径完全无法判断,以至于最后图像光子获得衍射图案 但是这个实验有个值得注意的点:就是D0也是一个记录仪D0也只是记录下P1光子的位置, 但是这个过程并没有意识参与所以实验结论说, P1在打在D0时,P2还在没有打在D1D2D3D4 上,前后相差 8 纳秒,那么 P1 如何知道自己应该打在衍射位置还是双亮纹位置? 也就是说,8 纳秒后的 P2 的行为决定了 8 纳秒前 P1 的行为吗?我的解释是,不是这样的我说了,DO也是记录仪,记录过程并没有意识参与既然P1 是以叠加态的方式打在D0上,那么D0对光子P1的记录也是叠加态的实验认为P1既然被 DO 记录了,那么 P1 的行为就已经被确定了但是我们回想一下哥本哈根解释以及薛定谔的猫 在一个封闭的箱子里,有一只猫,其生死由一个 5O% 衰变的粒子决定我们认为,当箱子没有 打开被观察时,这个粒子处于衰变或不衰变的叠加态,因此猫也必定处于或死或活的叠加态。
在这个实验中,虽然猫是一个宏观生物,但是在没有被意识观察到之前仍然可以处于叠加态 所以叠加态是否塌缩,在于是否有意识参与进去(这是本文的第一个假设:只要没有意识观察, 即使是宏观物体也可以处于叠加态)既然我们可以接受薛定谔的猫,那么我们也应该接受所 谓的记录仪记录的信息可以是是而又非的现在的量子计算机,就是令量子比特处于0和1的 叠加态所以我们也可以认为,D0所记录的信息也是一个叠加态的信息就如同粒子是否衰 变的叠加态被转移到了猫是死是活的叠加态一样而这个信息是往衍射方向塌缩还是往双亮纹 方向塌缩,取决于观察它的时候,P1 的路径信息 也就是 P2 的信息是否还存在这是本文的第二个假设)量子擦除实验最神奇的地方,在于它不是抹杀了 P2,而是混淆了 P2造成无 法判断但就人的主观意识来说,确实P2的信息被抹杀了所以,当光子P1落在D0的时候, 其位置其实并没有被确定,只是叠加态被转移到了宏观的记录仪上,直到被意识观察到的时候, 叠加态才塌缩这也是我对延迟选择的解释:并非未来决定过去,而是不同观察方式引起不同 方向的塌缩我认为,一个处于叠加态的物体是记录了它所经过的所有过程,等到它被观察的 时候,就会根据它所经过的所有过程,最终决定一个塌缩状态。
这个思路的验证方法就是,我们需要一个实验员,在D0处保持不断的观察当D0接收到 光子时,也会亮起,并且让人看到这样当光子P1的落点已经被意识观察到的时候,P2需要 8纳米后信息才被抹杀这么说并不太准确,事实上P2信息被抹杀是在通过半透镜BS后,是 不足8纳秒的,而D0从接收到光子到发出光来到人接收到这个光,中间也有些时差,虽然D1 —D4 也会有,但是为了保险起见,我们可以做成更敏感的东西比如我们可以去除 D3D4 的 设定,D0变成真正的感光屏,直接用肉眼保持观察,哪怕确实看的不是很清楚关于技术的 细节不是本文深究的,我们还是认为那个时间差是 8 纳秒就好,观察员的作用就是在 P2 信息 没有被抹杀前就把P1的叠加态塌缩掉我们要注意到这个顺序P1打在感光屏上,8纳秒后, P2 被混淆,或者说 P1 的路径信息被抹杀如果在这 8 纳秒之内,也就是 P1 路径信息被抹杀 之前,意识介入塌缩 P1 叠加态(准确说是塌缩 P1 被转移到感光屏上的叠加态),那么就得到 双亮纹如果意识在P1路径信息被抹杀的这8纳秒之后介入,则得到双干涉纹为了更好地验证我的想法,我要提出一个更简单的思想实验,前面双缝和BBO摆设不变, P1路径也保持不变,D0变成普通的观察屏幕D,而P2路径上的东西全部撤掉,换成下图的装 置,其中MA和MB是两块全放射镜,BS是一块50%的半透光镜,HA和HB是两块黑体,保证将光子吸收掉。
在P处有一位观察者在观察D处的光子落点,观察者距离观察屏幕的距离为BS 的作用是为了迅速地抹杀光子 P1 的路径信息,因为抹杀路径信息比抹杀光子本身更容 易如果是一个光子打在一块黑体屏上,它可能被反射,可能被吸收,而吸收后又可能产生一 系列电子跃迁活动,并不能在几纳秒的时间内确实地抹杀掉这个信息,而 50% 的半透镜是最好 的选择黑体的主要作用是为了防止光子在实验装置内乱飞导致影响实验我们设BBO到BS的光程为L1, BBO到屏幕D的光程为L2,在此实验中,我们假设观察 屏幕能够瞬时反应光子落点但是不反映光子路径信息(比如我们不可以用全放射镜代替屏幕, 因为全放射镜会透露 P1 的路径信息),我们假设 D 是一块非常敏感的荧光屏,当有光子打在 D 上的时候,在该点立即产生荧光假设 L1>L2+s ,即观察者处在距离屏幕较近的地方,此时 观察者观察到光子落点的时候,光子路径信息还没有被抹除根据我们之前的假设,光子的叠 加态如何塌缩,取决于当有一个意识观察它的一瞬间,它的路径信息是否还存在那么观察者 就可以观察到双亮纹如果Ll〈L2+s,即观察者处于距离屏幕较远的地方,此时观察者观察到 光子落点的时候,光子路径信息已经被抹除了,那么观察者就会观察到衍射条纹。
试想一下,假设这个屏幕是一个荧光只出现较短时间的荧光屏,而我们的光线足够强,可 以在照到屏幕的瞬间就产生明显的图纹,那么我们可以想象这样一种场景当一个观察者从较 远位置观察屏幕,远远地他看见屏幕上面是衍射条纹但是随着他的不断走进,突破 s=Ll-L2 的时候,图纹突然从衍射条纹变成双亮纹,这是基于猜想所得出的合理结论事实上,我们可 以认为以屏幕为中心,半径为 s 的球形空间是一个被光速限制的封闭空间也就是说,任何在 屏幕上发生的事情,在 s/c(c= 光速)以前,是不被这个封闭空间以外的人知道的如同薛定 谔的猫被关在箱子里不被外界的人知道一样我们可以想象有一层球形不透光的膜包围着这个 空间,当屏幕上有一个光子落在上面的 s/c 以后,也就是光子路径信息被抹除以后,膜突然消 失,使得人可以看见被抹除路径信息的光子所产生的衍射条纹当然,事实上恐怕现实实验并没有那么精确,因此我们可以加增一些条件,好使实验变得 更容易操作首先我们可以把P2光子的路径大幅延迟,可以用一大卷光纤来实现将P2的两 条路径分别放进两卷不同的光纤里,P2在哪条光纤就表明P1的路径信息这样观察者就可以 保证在路径信息还在的时候观察屏幕,哪怕实验屏幕不是那么敏感,但是也可以观察到双亮纹。
而如果我们将观察者替换成一个记录仪,或者一块永久性的感光板(光子打在感光板上,就会 永久地留下记号,如同胶卷一样),要保证这个过程没有意识参与然后在足够长的时间过去, 光子保证已经通过了光纤并且被彻底抹杀了之后,我们再打开记录仪或感光板要相信在打开 以前,这个记录仪或感光板是不确定的而当你观察它的一瞬间,光子的路径信息并不存在, 所以我们就得到了一个衍射条纹这就是我之前所要验证的,也是量子擦除实验所产生的问题的解答:“8 纳秒以后的行为 决定 8 纳秒以前的结果吗?”答案是:不,8 纳秒以前光子打在 D0 时,还是以叠加态的形式 被保存下来,直到被观察者提取出来观察为止才塌缩而路径信息早在 8 纳秒以后已经被抹杀 了,所以得到衍射条纹另外要补充说明的是,人的记忆也是一个储存器,并且事实上人的记忆非常精准虽然普 通情况下,人的回忆会有偏差,但是有研究表明,通过催眠记忆回溯,可以进行高精度的回忆 在量子力学里,可以认为,一旦光子的路径信息被人(或其他智慧生物)观察到了,那么就相 当于信息被储存在一个无法抹除掉的储存器里下面再说几个有趣的推论1、超光速信息传播这个我在两年前已经提出,当时在逻辑上并没有冲突,但是也没有验证,所以我再题一次。
假设我作了一个双缝干涉实验,记录器A内记录了光子的路径数据,记录器B则保存本次实验 结束的感光屏我们要保证整个实验在完全没有意识参与的情况下进行,并且这两个记录器被 严密地封存,不能有任何信息泄露的可能性接下来,我们来看B里所放的感光屏,你要相信, 这个感光屏正处于叠加态,上面的光子分布并没有确定的位置,而这些光子究竟是排成衍射纹 还是双亮纹,取决于当你观察感光板的瞬间,记录器 A 里的光子路径数据是否仍然保存完好 如果我们将两个记录器分开至间隔 1 光年,他们之间的响应也是瞬时的这样就实现了超光速 的信息传播若是我们将感光板上的信息换成一个量子比特,就是在没有意识参与的情况下,由计算机 统计感光板上的数据,并得出判断:用1表示双亮纹,用0表示衍射条纹,并储存在记录器C 里而记录器 A 则记录光子路径信息,我们可以用 1 表示通过左缝,0 表示通过右缝每次实 验使用1000个光子那么记录器A里每1000个比特,决定了记录器C里一个比特是0或是1 也就是当我观察记录器 C 里那个比特信息的瞬间,记录器 A 里的与之对应的 1000 个比特信息 是否完好要注意,信息是否完好,是指这个信息是否有可能还原出光子的路径信息。
哪怕这 个信息被做过加密处理,比如有人将信息全部反转,将0变成1,将1变成0;或者奇位数反 转偶位数不反转,都没有关系,因为有人知道这个信息如何还原,光子路径信。