量子力学中的惠勒延迟实验，包含的物理思想和量子力学基本原理是什么？

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量子力学中的惠勒延迟实验，包含的物理思想和量子力学基本原理是什么？

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“对于像我们这些信仰物理学的人而言,过去、现在和未来之间的区别只不过是一种顽固持续的幻象。”—阿尔伯特，爱因斯坦


这个是爱因斯坦在写给他的好朋友贝索（ Bessel）的遗孀时写的一段话，我觉得却是最好的对于惠勒延迟实验包含的物理思想的诠释。为什么？我们先来看看什么是惠勒延迟实验吧。。。

在解释惠勒延迟实验之前，我们还有些功课要做，要先理解一下双峰干涉实验：在量子力学里，双缝实验是一个测试量子的波动性质与粒子性质的实验。 举例来说，电子的双缝实验，把一束电子投射到有两条狭缝的挡板。在挡板的后面，摆设了某种侦测屏，用来纪录通过狭缝的电子。经过双缝干涉之后，电子好像同时走了两条细缝，屏幕出现波有干涉条纹。可是，如果我们用一个照相机去观察电子束中电子的轨迹，希望知道电子到底是从哪一条缝穿过的时候，奇怪的事情发生了：我们清晰的看到电子一颗一颗的以粒子的形式抵达侦测屏，电子只通过一条细缝，屏幕上的干涉条纹消失了。狡猾的电子好像知道了人类正在偷偷观测它。
所以经典的双缝干涉实验的结果是：如果我们实时观察，就没有干涉条纹，电子只会走一条细缝呈现粒子性。如果不实时观察，电子会同时走两条细缝，这样就呈现干涉条纹，电子呈现波动性。这个结果告诉我们，人类观察影响了电子的运动。

这个时候大神惠勒说，不要紧，电子你不是能知道我是不是在观察，然后选择怎么穿过细缝么？那我就延迟观察：在电子穿过缝隙之前先不观察，到穿过之后再决定要不要观察，这样电子穿过细缝的时候就无法确定人类会不会观察了，我们不就可以准确的知道电子是怎么穿过细缝了？

可是电子比大神惠勒更大神，惠勒延迟实验的结果是： 即使我们延迟观察--在电子穿过细缝之后再进行观察，电子还是呈现粒子性（只通过一条细缝）；不进行观察，电子依然呈现干涉条纹（同时通过两条细缝）。这个结果意味着，我们现在的选择（观测行为）改变了电子过去的“选择”。也就是说，我们可以在事情已经发生之后再来决定它应该怎么发生——无论是否事情的结果在逻辑上已经在一段时间以前被决定！！！！！！

“任何一种基本量子现象只在其被记录（观测）之后才是一种现象”， 玻尔说，“而在观察发生之前，没有任何物理量是客观实在的”。 惠勒延迟实验更进一步表明，观察不但创造了实相，而且还可以在事情发生之后再逆时间地创造实相。

所以，时间到底是什么？先后因果的顺序真的可以颠倒么？或许真的如爱因斯坦所说，时间不过是持续的幻象而已。

以上。

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【惠勒延迟实验，以下省略了归一化系数】到达交汇点B时光一直处于混态 |M1> + |M2> ， 探测器 P 有两个结果 |2> 和 |1>，没有半镀银反射镜的情况 <2|P|M2> =1, <2|P|M1> =0, <1|P|M1> =1, <1|P|M2>=0。按量子的说法是混态 |M1> + |M2> 在探测器 P 上以各50%几率探测到|1> 和 |2>。有半镀银反射镜情况，在 P 前插入了算符 B ， B（ |M1> + |M2> ） =|M2>， B（ |M1> - |M2> ） =|M1>， 最终结果 PB（ |M1> + |M2> ）= P|M2> = |2>， 只在探测器2出现。
有某种延时选择的说法，实际上是用经典的眼光审视量子现象的结果，认为第一种情况光50%几率处于纯态|M1> ，50%几率处于纯态 |M2> 【数值上同样效果】，从而得出现在可以影响过去的结论，按照量子的观点，两种情况都是|M1> + |M2>，这个实验不存在延时选择。
物理学中，过去和未来都和现在一样真实存在的，未来影响过去并不违背物理规律，过去，现在，未来同时存在，时间的流逝不过是幻觉，空间是向四周扩散的，时间概念，只不过是我们物质世界运动的轨迹所产生的结果，更直接的讲，地球自转的轨迹相对太阳而言产生了白天与黑夜，为了方便记录，使用时间概念来描述物体运动的轨迹与周期性，然而实际上过去现在未来都是同时发生的，同样可被观察者改变。

uqgtvoqjar

其实我觉得图中第一句话是精髓。波粒二象性的意思是，他在实验中能表现出粒子的性质也能表现出波的性质。
举一个不恰当的比方。比如人类生活在一个山洞里，只有红色和绿色的手电，而且因为某种原因这两个手电不能同时打开，人类当然会觉得红色和绿色不是一回事。当有一天人们发现了一个石头，用红色手电照他是红色的，用绿色手电照他是绿色的，其实是个黄色的石头，但住在山洞里的人是看不到黄色的，于是会觉得很奇怪。于是宣称这个石头会知道你要拿哪个手电照他!
这只是打一个比方，这个描述并不正确。

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惠勒（1911-2008）是费曼（1918-1988）的老师。延迟选择实验是惠勒提出的一个理想实验，本质上就是一个双缝实验，或双缝实验的一个变种。

首先让我们回顾一下双缝实验：


两个缝都开，屏上有干涉条纹（有些作者喜欢说体现为波动性）；
挡住一个，留下一个缝，屏上会有相对集中的条纹（有些作者喜欢说体现为粒子性）；

假设两个缝都是打开的，现在假想单个光子穿越了双缝，但还没有到达屏。然后我们在瞬间关闭一个缝，此时光子会落在屏的什么地方？这就是所谓“延迟选择”，即光已经穿过双缝，再去选择是否关闭一个缝。

按照量子力学，是否双缝，或关闭哪一个缝，只是在制备波函数。

仅仅上缝，波函数是ψu，仅仅下缝，波函数是ψd。

双缝对应的波函数是：ψu+ψd

在习惯上我们会认为远处的“双缝”还是“单缝”——这一构型不会立刻改变正在逼近屏的光子的状态。但量子力学是一个非局域（Non Local）的理论，“双缝”还是“单缝”的改变是施加于整个世界的，换句话说，波函数会在瞬间改变为ψu，或ψd。

“延迟选择”还是选择，会即刻改变波函数，并体现在屏上。此时对应光子集中分布在仍开着的那个缝的对面（波动性没有了）。


惠勒提出了一个改进的延迟选择实验。起先是思想实验，后来被物理学家在实验室里实现了。

考虑一个马赫-曾德（Mach–Zehnder）干涉仪，如图由两个半透半反镜（蓝色）和两个全反镜（绿色）组成。
假设我们把光路中的第二个半透半反镜（右上角的那个）撤掉，此时入射光将被第一个半透半反镜（左下角的那个）一分为二，但没机会汇合在一起。


此时没有干涉现象发生，1处和2处都会有光出射，并且强度是相等的。如果考虑单光子入射的话，单光子将有一半几率跑到1处，另外一半几率跑到2处。

所谓“延迟选择”是当我们估计到光子已经接近第二块半透半反镜的位置的时候（此时第二块镜子还没放上去），迅速地放上第2块半透半反镜。那么我们能否看到干涉现象？

考虑到量子力学是非局域的，第2块半透半反镜的插入，会瞬间“整体地”改变波函数，光子不再是或者跑到1处，或者跑到2处，而是会发生干涉，1处是相长干涉，而2处为相消干涉。即全部光子都会跑到1处，而没有光子会跑到2处。

此时我们不能认为单光子是或者从左侧射入，或者从下方射入第二块半透半反镜。而必须认为光子处在“左侧射入”和“下方射入”的量子叠加态上。

惠勒的延迟选择实验实际上就是一个由光路实现的双缝实验。

如图：绿色是全反镜，蓝色是半透半反镜；反射会导致相位变化，光疏介质入射到光密介质反射，有π相位变化；光密介质入射到光疏介质反射没有π相位变化，所以光经右上“半透半反镜”反射到2处是没有附加相位变化的。

光有可能在1处，也有可能在2处发生干涉；
1处：光可能走“上路径”，此时相位是：2π+2π(u+D)/λ
光也可能走“下路径”，此时相位也是：2π+2π(u+D)/λ

可见这两束光同相位，对应干涉相长。


假设入射光是：Ψ，光强（I）正比于Ψ绝对值的平方。
光通过半透半反镜有50%的光强反射，50%的光强透射。

第一次反射波函数：Ψ/√2

第一次透射波函数：Ψ/√2

继续，还有第二次反射，此时光强会继续减半，


第二次反射波函数：Ψ/2

第二次透射波函数：Ψ/2

由于现在这两束光是同相位的，所以最终波函数是Ψ/2+Ψ/2=Ψ。换句话说1处有全部的光强，此时不需要计算也可猜测，2处是没有光强的。这就是所谓干涉，1处相长，2处只能是相消了。

2处：光可能走“上路径”，此时相位是：2π+2π(u+D)/λ
光也可能走“下路径”，此时相位是：π+2π(u+D)/λ

可见上、下路径，相位差正好是π，换句话说这里光是相消的，光强为0。
小结：实验发现“延迟选择”仍然有干涉现象，即1处有全部光强而2处光强为0，说明量子力学确实是非局域的理论。（如果量子力学是局域的话，因为此时光子已经逼近右上半透半反镜，应当观察到1处和2处各有50%光强）