“惠勒猫”——“延迟选择”实验

“惠勒猫”——“延迟选择”实验

真正实现单个光子的双缝实验是很困难的，有两个非常棘手的问题需要解决，其一是如何实现单个光子的发射，即使实现了单个光子入射，对入射光子还有严格的要求；其二是如何实现双缝的效果，因为经典光学的双缝很难满足量子水平的实验要求。

最初，为实现单个光子入射，人们使用了微调减光器，这是一种使入射光尽量减弱，使光束的强度降到最低时，实现一次只发射一个光子的效果。但这样做有一个不容忽视的问题，因为光是由光源中各种各样的原子发射出来的，众多原子的发光，对应着不同能级的跃迁，即使一次减至一个光子，每次所发射光子的跃迁情况、光子的振动情况、偏振情况也彼此不同，在采用路径积分时，不得不使用平均办法，因而影响到最终的结果。由于对实验的精确度要求很高，在获得单个光子的同时，必须使每个光子具有特定的发射能级跃迁与单一的脉冲，这就要求发射光子的原子具有单一的量子态，因此必须使用激光光源解决这个难题；另一个棘手的问题是如何提供双缝装置。在普通的光学实验中，双缝很好解决，但如果涉及到单个光子或电子，普通双缝的精确性很难保证。为了克服这一难题，人们利用一种分光器把双缝装置变型。最常使用的就是采用经特殊镀膜的半透半反分光板。正是这个新器件的使用，使古老的双缝实验在量子力学领域获得了全新的发展，也正是这个器件的应用，揭示了世界存在形式的惊天秘密。

首先对杨氏双缝实验进行改造的是惠勒。惠勒是著名的美国物理学家、物理思想家和物理教育家。惠勒1911年出生于美国佛罗里达州的杰克逊维尔，1933年毕业于霍普金斯大学，在那里取得了博士学位后，来到哥本哈根大学师从玻尔。1938年至1976年，惠勒在普林斯顿大学担任物理学教授。在这里，他与爱因斯坦结识，并再度与玻尔合作研究核物理。惠勒在物理学多个领域中都有着重要的贡献，但他的名气却不如曾与他合作的玻尔，也不如在普林斯顿的同事爱因斯坦，甚至还不如他的学生费曼。在宇宙学家霍金成名之后，世人被特殊的天体“黑洞”所吸引时，却很少有人知道，“黑洞”这个名称的原创者就是惠勒。

惠勒在引力论、相对论和宇宙学方面有着深度的研究。1967年，在纽约的一次会议中，惠勒首先提出黑洞概念，他认为这是巨大星体死亡时形成的一个特殊的时空奇点，由于高质量密度与强引力，使这一时空点具有非常奇异的性质。在以后的研究中，他又陆续提出“虫洞”、“真子”（geons）和“量子泡沫”等概念，它们都成为宇宙学研究中的重要术语。除此以外，惠勒还与玻尔合作，揭示出了核裂变的机制，他不仅参与了曼哈顿工程，还是美国第一个氢弹装置的主要设计者。在晚年，惠勒更是爱因斯坦研究统一场论的重要伙伴。经惠勒之手，培养出了包括著名物理学家费曼在内的几代美国物理学家。他先后指导过50多位博士生，他们绝大多数成为美国，甚至世界各个前沿学科领域的著名专家，仅在美国宇宙和天体物理领域中，从事一线研究的相当一部分专家都是他的学生。

惠勒的一生充满活力，他喜好游泳，乐于与年轻人相处，更爱在大自然环境下思考和工作。他的著述颇丰，在1973年完成的长达1000页的巨著《万有引力》中，因为充满了深刻的道理与智慧，更具有很强的可读性而成为再版多次的畅销书。

1978年，惠勒在他的《量子力学的理论基础》一书中，提出了一个假想实验，被后人称为“惠勒延迟效应实验”。这个实验实际上是一个改装版的现代双缝实验。［19］

次年，即1979年，在纪念爱因斯坦诞辰研讨会上，惠勒把这个实验设想再度提出来，并为这个实验提出了一个具体的方案，这就是著名的惠勒“延迟实验”（delayed choice experiments）。这个方案把对双缝干涉的研究提高到了一个全新的水平。他认为，通过这个实验，可以证实在量子水平上“此时此刻所做出的事情，对以前发生的事件会产生不可忽视的影响”。惠勒的这个结论以它的奇异性，引起众人的注意。

1983年，在一篇题为“没有规律的规律”的论文中，惠勒又一次提到了这个“延迟实验”。在这篇文章中，他从量子力学的角度，对实验的结果做出了预言。［20］

惠勒的“延迟实验”是一个现代版的双缝实验。在这个实验中，光源采用激光，用一块镀银的半透半反分光片代替了双缝，并用光纤作为传输媒介。实验的简化装置如图6所示。

从光源S发出的光束1经过半透半反片A后，被分成两束光2a和2b，这两束光分别经过反射镜M1和M2的反射，反射光3a和3b分别被监测器D1和D2所接收。当有光入射时，检测器就会发出响声。现在使入射光充分减弱，一次只发出一个光子，当进入实验装置的是单个光子时，情况如何呢？惠勒认为，单个光子入射到A之后，如果这个光子在A处发生了反射，检测器D1将发出“咔”的一声；如果光子在A处发生了透射，检测器D2就会发声，由此可以知道在哪一条路径上有光子通过，是反射光子到达了，还是透射光子到达了。惠勒认为，利用一个个单个光子做此实验时，两个检测器将轮流发声，但决不会同时发声。这表明，光子在A处，要么发生了反射，要么发生了透射，它没有分成两半，这个结果将反映光子的粒子性。

接着，惠勒建议在3a和3b的交叉处，再装一块半透半反片B，由B出来的光分别为4和5，其中4是3a的一半反射光与3b的一半透射光相汇合；5是3a的一半透射光与3b的一半反射光相汇合，4和5分别是两束相干光的叠加。如果4恰好是相干加强时，检测器D2将发出响声，此时5就恰好相干减弱，D1将不响，反之亦然。因此实验结果将是，两个检测器不再轮流发声，而只有一个发声，而另一个不再发声。

当实验使用的是单个光子时，情况又该如何呢？惠勒认为当光子一个个进入实验装置后，只有一个检测器发出一次次的响声，另一个不响。这个实验将会发现，光子在第一个分光片A上，似乎“分成了两半”，既发生了反射，也发生了透射，以后，一定是每“一半”经历了两条不同的路径，因为如果不是这样，即如果只有透射或只有反射时，在检测器上就不会形成干涉加强或干涉削弱现象，这说明光子在这个实验中，表现出了波动性。

这个实验的关键之处在于第二块分光片B的放入前后。如果惠勒的预言得到证实，放入和不放入B，反映人们在以什么方式进行测量。这恰好证实了玻尔的互补性原理，即粒子显示粒子性还是波动性，将取决于我们以什么方式进行观察。

如果仔细思考这个实验，将会发现一个更奇异的现象。关键点就在于分光片B的使用，光子经过A时，它表现为粒子性还是波动性似乎取决于B是否存在，光子透过A或从A反射，这是个发生在放置B之前的事，这个前面的事似乎受到了后来放置B的干扰，也就是说，光子在A处发生什么行为时，就已经预知后来在B处要发生的事，不仅证明微观粒子“在任何一处的行为”都对实验有“整体”的认识，还有着对“后果”要发生什么有着“预知性”，这就是惠勒实验所意味的“延迟”所在。惠勒想用这个实验证实他所一贯反复强调的“没有一个量子现象成为现象，除非它成为一个被记录的现象”；“并不存在过去预先的事，除非它被现在所记录”。惠勒的延迟实验，不仅能证实哥本哈根学派的诠释，而且还把玻尔的互补性原理从空间拓展到了时间。由于这一假想实验与“薛定谔猫”有同样的怪异性，有人又把惠勒的“延迟实验”称为“惠勒猫”。［21］