延遲實驗

1979年是愛因斯坦誕辰100週年，在他生前工作的普林斯頓召開了一次紀念他的討論會。在會上，愛因斯坦的同事，也是玻爾的密切合作者之一約翰·惠勒（John Wheeler）提出了一個相當令人吃驚的構想，也就是所謂的“延遲實驗”（delayed choice experiment）。在粒子流很弱、粒子一個一個地射入多次重複實驗中顯示的干涉效應表明，微觀粒子的波動性不是大量粒子聚集的性質，單個粒子即具有波動性。於是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在雙孔實驗中雙孔又是同時起作用的，因此，對於微觀粒子談論它的運動軌道是沒有意義的。

實驗的基本思路是，用塗着半鍍銀的反射鏡來代替雙縫。一個光子有一半可能通過反射鏡，一半可能被反射，這是一個量子隨機過程，跟它選擇雙縫還是單縫本質上是一樣的。把反射鏡和光子入射途徑擺成45度角，那麼它一半可能直飛，另一半可能被反射成90度角。但是，我們可以通過另外的全反射鏡，把這兩條分開的岔路再交匯到一起。在終點觀察光子飛來的方向，我們可以確定它究竟是沿着哪一條道路飛來的。

但是，我們也可以在終點處再插入一塊呈45度角的半鍍銀反射鏡，這又會造成光子的自我干涉。如果我們仔細安排位相，我們完全可以使得在一個方向上的光子呈反相而相互抵消，而在一個確定的方向輸出。這樣的話我們每次都得到一個確定的結果（就像每次都得到一個特定的干涉條紋一樣），根據量子派的説法，此時光子必定同時沿着兩條途徑而來！

總而言之，如果我們不在終點處插入半反射鏡，光子就沿着某一條道路而來，反之它就同時經過兩條道路。問題是，是不是要在終點處插入半透鏡，這可以在光子實際通過了第一塊反射鏡，已經快要到達終點時才決定。我們可以在事情發生後再來決定它應該怎樣發生！如果説我們是這出好戲的導演的話，那麼我們的光子在其中究竟扮演了什麼角色，這可以等電影拍完以後再由我們決定！

雖然聽上去古怪，但這卻是哥本哈根派的一個正統推論！惠勒後來引玻爾的話説，“任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象”，我們是在光子上路之前還是途中來做出決定，這在量子實驗中是沒有區別的。歷史不是確定和實在的——除非它已經被記錄下來。更精確地説，光子在通過第一塊透鏡到我們插入第二塊透鏡這之間“到底”在哪裏，是個什麼，是一個無意義的問題，我們沒有權利去談論它，它不是一個“客觀真實”！惠勒用那幅著名的“龍圖”來説明這一點，龍的頭和尾巴（輸入輸出）都是確定的清晰的，但它的身體（路徑）卻是一團迷霧，沒有人可以説清。

在惠勒的構想提出5年後，馬里蘭大學的卡洛爾·阿雷（Carroll O Alley）和其同事當真做了一個延遲實驗，其結果真的證明，我們何時選擇光子的“模式”，這對於實驗結果是無影響的（和玻爾預言的一樣，和愛因斯坦的相反！），與此同時慕尼黑大學的一個小組也作出了類似的結果。

這樣稀奇古怪的事情説明了什麼呢？

John Archibald Wheeler是那些認真考慮過量子力學的人之一。在研究了哥本哈根對雙縫實驗的解釋——強調觀察者知道的和觀察者何時知道——之後，惠勒認識到觀察者的選擇可能會控制那些到實驗中的變量。

“如果你説的是真的”惠勒説（事實上），“那麼我會在一件事情可能已經發生後再選擇知道一個特性”惠勒意識到在這種情況下，觀察者的選擇可能會決定實驗的結果——而無論是否實驗的結果在邏輯上已經在一段時間以前被決定。

“沒有意義”簡化主義者們説。“垃圾”唯物主義者們説。“完全荒謬”幼稚的現實主義者們説。“是的”數學家們説。惠勒的思想實驗和量子力學的預言被帶到了實驗室中，接受實踐的檢驗。以下就是所發生的。

基本延遲實驗（Basic delayed choice）

1. 一個光子（或者一個其他量子單位）被向雙縫發射。

2. 此光子不被觀察地從雙縫中穿過，邏輯上，或者穿過雙縫中的一個，或者穿過另一個，或者穿過兩個。為了得到干涉圖樣，我們假設有某種東西一定穿過了雙縫；為了瞭解粒子的分佈情況，我們假設此光子一定穿過了雙縫中的一個。無論此光子怎樣運動，它都被假定在穿過的時候只穿過一個縫。

3. 在穿過縫之後，光子就會朝着後牆飛去。

4. 在後牆上，我們有兩種分別的方法來探測此光子。

5. 第一，我們有一個測量屏幕（或者其他可以測量光子打擊到後幕上的水平位置，但是卻不能區分光子從哪個方向飛過來的探測系統）。這個測量屏幕可以移動，並且它還可以很快速的移動，即它可以在光子通過狹縫之後但是接觸到後幕之前快速移動。或者，測量屏幕可以適當地離開。這種離開是實驗者的決定，這個決定直到光子已經通過狹縫後才被作出。

6. 一旦我們屏幕被去掉（此處的去掉不是屏幕的移動，而是在光子已經到了區域3時我們決定不使用屏幕，而是改用測量鏡頭），那麼我們啓動兩個觀測鏡頭。鏡頭緊密地聚焦，觀察，觀測兩個狹縫之一之後的狹小空間。左邊的鏡頭觀測左邊的狹縫，右邊的鏡頭觀測右邊的狹縫。（在這裏鏡頭的作用是確保如果此光子全部或者部分地從觀察狹縫穿過時，你通過相應的鏡頭觀測此狹縫的時候，你就會看見亮光，這樣的話你就得到了關於光子究竟通過那個狹縫的信息。）

光子已經在區域3了，即光子已經穿過狹縫了。此時，繼續使用測量屏幕進行光子干涉實驗——我們仍可以選擇適當移動測量屏幕，在此情況下，我們不知道光子穿過的是哪條狹縫。

改用測量鏡頭測量光子的粒子行為——或者我們選測去掉測量屏幕。如果我們這樣做就會立即啓動測量鏡頭，我們將會預計在左右兩個鏡頭之一之中會有亮光，（或者兩個鏡頭都會同時看見，但是我們預計這種情況不會發生）為什麼？因為此光子必須通過或者左邊，或者右邊，或者兩邊的狹縫進入區域3。這就是所有的可能性。當我們通過鏡頭觀察雙縫，必定或看到以下情況之一：

在左邊的鏡頭中有亮光，而右邊的鏡頭沒有，這表明了光子從左邊的狹縫進入區域3的。

在右邊的鏡頭中有亮光，而左邊的鏡頭沒有，這表明了光子從右邊的狹縫進入區域3的。

兩邊的鏡頭同時都有半強的亮光，這表明了光子同時從雙縫穿過。

哲學就是全部的可能性。

基於對觀測屏幕的觀察，量子力學告訴我們我們得到了什麼：Pattern4r，其圖案與由兩列對稱波分別通過各自狹縫所造成的干涉圖像極其相似。

基於對鏡頭的觀察，量子力學告訴我們我們得到了什麼：Pattern5r，其完全相似於粒子從源處過來，通過這個或者那個狹縫，形成的亮光，並且在鏡頭中被我們觀察到了。

考慮不同的實驗觀測方式造成的不同結果—在光子已經進入區域3時，如果我們決定適當地移動測量屏幕，則我們會得到光子的波動性質的結論。另一方面，如果我們此時去掉測量屏幕而改用測量鏡頭的話，我們就會得到光子的粒子效應的結論。

In summary, we have chosen whether to know which slit the particle went through, by choosing to use the telescopes or not, which are the instruments that would give us the information about which slit the particle went through. We have delayed this choice until a time after the particles "have gone through one slit or the other slit or both slits," so to speak. Yet, it seems paradoxically that our later choice of whether to obtain this information determines whether the particle passed through one slit or the other slit or both slits, so to speak. If you want to think of it this way (I don't 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