问题

退相干理论如何解释延迟选择实验、量子擦除实验?

回答
退相干理论在解释延迟选择实验和量子擦除实验时,提供了一个非常清晰且符合我们日常直觉的视角。它让我们理解为什么在宏观世界里我们看不到量子叠加态,以及如何在特定条件下“抹掉”这些量子行为的痕迹。下面我将详细阐述这一点,力求用最平实易懂的语言来讲解。

退相干理论的核心思想:与环境的相互作用

首先,我们要明白退相干理论的核心在于“相互作用”。量子世界的神奇之处在于叠加态——一个粒子可以同时处于多种状态。但这种叠加态非常脆弱,一旦与“外界”发生任何形式的相互作用,哪怕是极其微小的,它的叠加态就会瞬间坍缩成一个确定的状态。这种外界,可以是光子、空气分子,甚至是测量仪器本身。

想象一下,你有一个非常精密的音乐盒,它能同时播放两种不同的旋律,这就像是叠加态。但一旦你打开音乐盒的盖子,让空气进入,或者用手指碰触一下,音乐盒的精巧结构就会被扰乱,它只能播放其中一种旋律了。这个“打开盖子”或者“用手指碰触”,就是与环境的相互作用。

退相干理论就是描述这种相互作用如何“破坏”量子叠加态的过程。随着相互作用的增加,叠加态的信息会越来越“泄露”到环境中,我们作为观察者就再也无法看到完整的叠加态了。

延迟选择实验:为什么粒子不再同时“走两条路”?

延迟选择实验,听起来很科幻,但实际上它非常巧妙地利用了光子的双缝衍射原理。简单来说,就是我们在光子穿过双缝之后,才决定是要探测它“走了哪条路”(粒子性),还是要让它表现出“同时走了两条路”(波动性)。

在经典的双缝实验中,如果我们不探测光子走了哪条路,它就会表现出波动性,在屏幕上形成干涉条纹。如果我们放置探测器去记录它走了哪条路,干涉条纹就会消失,光子就表现出粒子性。

延迟选择实验的关键在于“延迟”。它是在光子已经穿过双缝,即将到达探测屏之前,才做出是否需要“知道它走了哪条路”的决定。

退相干如何解释?

这里退相干理论就派上用场了。

1. 当我们选择“不探测路径”时: 想象一下,光子从光源出发,经过双缝,然后要到达后方的探测屏。如果我们采取的策略是,无论光子是从上面缝还是下面缝通过,我们都不去“干扰”它,让它自由地传播。在这种情况下,光子并没有与任何能够区分其路径的“外部设备”发生强烈的、能够记录路径信息的相互作用。虽然它仍然会与空气分子等发生微弱的相互作用,但这些相互作用不足以清晰地记录下它的路径信息,不足以区分“走上面”和“走下面”这两种可能性。因此,光子依然保持着它的叠加态,它仿佛是同时通过了两条缝,最终在探测屏上形成了干涉条纹。

2. 当我们在“延迟”时段选择“探测路径”时: 现在,关键来了。在光子穿过双缝后,但在它撞击探测屏之前,我们突然插入了一个能够探测它路径的设备。这个设备,比如一个能够散射光子的探测器,或者一个能够将光子导向不同路径的开关。一旦光子与这个探测设备发生了相互作用,它就“被迫”选择了一条路径。

信息泄露与退相干: 这个探测设备就像一个精明的记录员,它会记录下光子究竟是从上方缝还是下方缝通过的。即使我们最终并不直接“读取”这个记录,仅仅是这个信息“存在”了,就已经发生了强烈的相互作用。光子与探测器发生了散射、偏转等过程,这些过程将光子“走哪条路”的信息“泄露”给了探测器,并进一步泄露给了周围的环境。
叠加态的终结: 这种信息泄露的过程,就是退相干在起作用。光子的叠加态“(走上面)+(走下面)”由于与探测器的相互作用,被分解成了两个独立的可能性:“(光子走了上面缝,并且被探测器记录下来)”或者“(光子走了下面缝,并且被探测器记录下来)”。关键在于,这两种可能性之间失去了相干性,它们无法再像波一样叠加起来形成干涉。
结果: 由于退相干,光子已经不再处于叠加态,它变成了一个确定的“要么走上面,要么走下面”的状态。当它到达探测屏时,就不会形成干涉条纹了,而是出现两个独立的亮点,分别对应于它走了哪条缝。

延迟选择的精妙之处在于,我们是在“事后”决定是否要引发退相干。但一旦决定要引发,之前发生的相互作用就已经不可逆转地破坏了叠加态的相干性。所以,即使我们当时没有读取路径信息,但因为发生了“可能被读取”的相互作用,叠加态就已经失效了。

量子擦除实验:消除“知道自己走了哪条路”的证据

量子擦除实验是延迟选择实验的一个更进一步的变种,它在“知道路径信息”后,又尝试将其“擦除”,看看是否能恢复干涉条纹。

设想在延迟选择实验中,我们确实在光子穿过双缝后插入了探测器来记录路径信息,干涉条纹消失了。现在,量子擦除实验要做的是,在光子到达探测屏之前,我们想办法“抹掉”或者“隐藏”掉那个记录路径信息的探测器所携带的关于光子路径的信息。

退相干如何解释?

退相干理论同样能解释这个“擦除”的过程:

1. 制造路径信息: 在实验初期,我们让光子通过双缝,并设置一个探测器来记录它的路径。这个探测器会与光子发生相互作用,记录下“光子走了上面缝”或“光子走了下面缝”的信息。这个信息通常会被编码在某个物理量上,比如探测器的状态或者另一个叫做“标记光子”(idler photon)的伴随粒子上。

根据退相干理论,一旦有了这个路径信息,并且这个信息被泄露给了环境(例如,被探测器自身或其他物质吸收、散射),光子的叠加态就已经被破坏了。无论我们之后做什么,只要这个路径信息以某种形式存在于某个地方,并且原则上可被读取,那么叠加态就已经失效。

2. “擦除”路径信息: 关键在于“擦除”。我们如何“擦除”呢?一种常见的方法是利用一个附加的量子纠缠和一个巧妙的测量。

假设我们记录路径的信息是保存在一个“标记光子”上。这个标记光子和原始光子是纠缠在一起的。当原始光子与探测器相互作用而导致退相干时,标记光子也携带了相应的路径信息。

现在,我们对这个标记光子进行一种特殊的测量。这种测量方式非常巧妙,它不是直接测量标记光子“走了哪条缝”,而是测量它的一种“混合状态”。这种测量会将标记光子和原始光子“混合”起来,使得标记光子携带的原始路径信息变得无法区分。

退相干的反向操作?并非如此: 这里要强调的是,我们并不是真的“逆转”了退相干的过程。退相干一旦发生,信息就泄露到环境中,无法真正“收回”。这里的“擦除”更准确的说法是,我们通过一种特定的联合测量,将原本分散在“原始光子”和“标记光子”两个系统中的“路径信息”进行了某种形式的重新组合,使得我们对于原始光子的路径信息变得无法区分。

想象一下,你在一个杂乱的房间里丢失了一张写着重要信息的纸条。退相干就是这张纸条被撕碎,碎片散落到各处,你很难再拼凑起来。而“擦除”就像你找到了一个方法,把所有碎片(包括被你随手丢弃的、被椅子压过的等)收集起来,但你不是把纸条粘回原样,而是把它们都放进一个黑箱里,然后你告诉我:“现在你告诉我这张纸条上的信息是什么,我只能随机猜一个,因为我不知道哪片碎片是哪片,也无法拼凑出原始的文字。”

3. 恢复干涉的条件: 当我们对标记光子进行这种“擦除”测量时,我们实际上是在根据标记光子的测量结果,将原始光子在探测屏上的到达位置进行分类。

如果标记光子测量结果表明它“没有提供任何路径信息”(即我们成功“擦除了”路径信息),那么在那些被这样分类的原始光子到达的区域,我们就可以观察到干涉条纹。
如果标记光子测量结果表明它仍然带有路径信息(即我们没有成功“擦除”路径信息),那么在那些被这样分类的原始光子到达的区域,我们就看不到干涉条纹。

退相干理论的精髓体现:信息是关键

退相干理论在这里揭示了一个深刻的道理:量子叠加态的维持,依赖于其所携带的信息不被泄露到与环境分离的系统中。一旦关于叠加态的信息(例如“光子走了哪条路”)以可区分的形式存在于任何地方,并且原则上可以被访问或测量,那么叠加态就会因为与携带这些信息的系统发生相互作用而退相干。

量子擦除实验的“擦除”,并不是真的让信息凭空消失,而是通过一种方式,让之前储存路径信息的物理系统(例如标记光子)与我们对其进行后续测量的操作结合起来,使得最终我们无法从这个系统中提取出关于原始光子路径的区分性信息。换句话说,我们“擦除”的是“可区分性”,而不是信息本身。

总结

退相干理论提供了一个信息论的视角来理解量子现象。 叠加态的波动性源于其内在的相干性,这种相干性是一种信息,它必须保持完整而不被泄露。
延迟选择实验说明了,即使是“延迟”的测量,一旦有信息泄露到环境中,叠加态就会因为退相干而消失。 光子与探测器相互作用,路径信息被记录,叠加态失效。
量子擦除实验进一步强调了信息的“可区分性”是退相干的根源。 通过一种特殊的联合测量,我们可以“擦除”掉标记光子携带的路径信息的可区分性,从而在某个子集的数据中重新看到干涉条纹。但这并不是真的恢复了叠加态,而是我们通过这种方式,筛选出了那些没有发生有效退相干的光子。

退相干理论帮助我们理解,量子行为并非是神秘莫测的“灵异事件”,而是量子系统与环境相互作用的必然结果。它的威力在于,将看似违反直觉的量子行为,置于信息交换和相互作用的框架下,使得我们能够更好地理解和预测这些现象。

网友意见

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前提就错了。

正确的理论是量子去相干,这在30年前欧美的物理数学界就已经确定。

在1999年的一次量子计算会议中,超过半数的物理学家们表示自己完全不确定到底该相信哪一种诠释。剩下的不到半数的投票分散给了哥本哈根诠释、多世界诠释或者退向干诠释等理论。现在宣布哪一个理论是正确的还为时尚早,我想我们能做的只能是等待,等待实验取得进一步地突破。

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