決定論如何解釋雙縫干涉實驗?
看見有問題說決定論不能被證偽,那它一定就能自圓其說,但它又如何解釋雙縫干涉實驗這種波動性實驗呢?
謝邀。
有很多決定論的詮釋(例如波姆力學)來解釋雙縫干涉實驗毫無壓力,關鍵是這些詮釋都有爭議性。但是非決定論的詮釋(如哥本哈根)本身也有爭議性。很大程度上取決於你相信何種詮釋。
其實這個問題在玻爾和愛因斯坦時代是一個很麻煩的問題,但是在現在看來已經變得越來越trivial了。結合了退相干之後,這個過程已經不需要坍縮假設了,而一切非決定論的起源都在坍縮。
這裡要涉及一些計算。我們可以用一個比較簡化的模型來說明。
雙縫干涉中,干涉條紋的形成本身沒有什麼讓人奇怪的,奇怪的地方在於當人們試圖觀察路徑信息(WWI)的時候,干涉的消失。我們用下面這個模型來分析一下。
光子的觀測並不是像想像中那麼簡單,對光子的觀測必然要破壞這個光子。我們這裡可以用延時擦除實驗的setup來完成對光子的觀測。在每個縫隙可以放置一種非線性晶體BBO,它可以在光子經過時,產生一個與之糾纏的光子(事實上是把經過的光子變為一對糾纏光子對,這裡不必細究)。當光子經過時,這一對光子中其中一個繼續向前,去探測器D0做干涉條紋的測試,我們把它叫做signal,而另一個則作為測量光子,提供光子路徑信息,叫做idler。我們可以看到根據idler的來源,即可判斷達到平面上的光子的路徑。
(圖片來自維基百科Delayed choice quantum eraser)
關於糾纏光子導致無法觀察到干涉的問題,其實最簡單的,是用約化密度矩陣(reduced density matrix)的方法。如果你對密度矩陣的方法比較熟悉,建議直接計算約化密度矩陣,立刻即可得到「觀察導致干涉消失」的結論。
可能更加符合初等量子力學和我們直覺的,還是用波函數來表示。比如說,光子分為左路和右路。每個光子經過SPDC之後,變成了兩個光子,我們用 表示Signal光子,用 表示idler光子。那麼,一束光穿過雙縫以及背後的BBO之後,波函數就變成了:
那麼,整個光子的波函數所代表的空間分布就是:
其中,x表示的是signal 的空間坐標,y表示的是idler的空間坐標。那麼很容易得到:
這個公式中的第三項就是干涉項。
現在,如果我們想要判斷signal光子的路徑,我們可以觀測idler的來源。這就要求我們的實驗過程中,idler兩個路徑的波函數必須能夠完全分開,否則如果它們重疊,我們就沒有辦法對路徑進行區分。我們可以把上圖中的兩個反射鏡BSa和BSb設置為兩個全反射鏡,那麼紅框中的光路就成了:
這樣一來,如果我們在D4探測器觀察到光子,就意味著Signal光子走的上上路,反之則是下路。由於光路不重疊,我們立刻知道:
也就是說,「WWI被idler帶出了系統」,那麼干涉項由於上述項等於零就直接消失了,因此我們得到的之能是沒有干涉的經典光斑。干涉因為觀察而消失了。
請注意,我們不必真的去觀察,僅僅是我們可能觀察到就足以破壞干涉條紋,為何這樣說呢?比如說我們把這兩個反射鏡撤走,不把光路分開,而是把它們合起來:
光路完全重疊,此時無論我們在D1還是D2觀察到光子,都無法對signal光子做出路徑信息的判斷。
由於光路重疊,那麼很顯然上述干涉項就不再等於零,因此在(x,y)這個複合空間中干涉就會重現。這就是量子擦除。
但是,在D0的探測器中,我們仍然不會看到任何干涉。因為,我們可以單獨計算D0中的波函數分布干涉項如下:
干涉項仍然為零。沒有干涉條紋。
那麼,這時干涉在哪兒呢?它存在於signal光子的空間坐標x和idler光子的空間坐標y之間,但是單獨的x坐標和y坐標之內都不再有干涉。所以說,此時的干涉是發生在兩個光子的四個路徑之間,而不是單獨signal光子的兩個路徑之間。
事實上,這時如果我們細數所有到達各個探測器的光子,我們會發現這樣一種干涉現象:
其中藍色的分布是當我們在D1看到idler光子時,對應的signal光子的分布,而紅色則是當我們在D2看到idler時,對應的signal光子的分布。它們各自是一組條紋,但是恰好互相抵消了,所以在D0永遠不會看到干涉。這也就是Zurek常說的
「干涉仍然存在,只不過它不在那兒。」
事實上,如果我們完全簡化這個實驗,變成這樣:
最後,我們在屏幕1和2看到的全部都是沒有干涉的經典光斑,但是如果我們把兩個屏幕的每一個光子的信息合在一起,就可以看到干涉條紋:
這個圖中橫軸是屏幕的坐標,縱軸是屏幕2的坐標。
整個過程僅僅是因為量子糾纏的特性引起的,在糾纏系統中只有複合系統的量子態而不存在單個系統的量子態(純態)。單個系統的狀態只能用約化密度矩陣表示,它是一個「不正當混合態(improper mixed state)」,數學上等價於混合態。所以它看似概率,其實不是概率。
而量子糾纏則是可以通過薛定諤方程本身嚴格推導的。也就並不需要任何坍縮假設。唯一可能有爭議的地方就是波函數強度 的物理含義,它完全不必需要概率詮釋,這個說起來比較複雜,你可以參考Zurek或Schlosshauer的著述。
想像論述請參照我的專欄文章:
賈明子:量子糾纏和超光速通訊?!?zhuanlan.zhihu.com賈明子:不神秘的量子擦除:未來可以改變歷史嗎??zhuanlan.zhihu.com決定論只能被量子糾纏的實驗證偽。量子糾纏的實驗,已經可以明確證偽決定論。
雙縫干涉確實不能證偽決定論,簡單的導航波理論,就可以解釋雙縫干涉。導航波就是隱變數決定論的一種。但是,導航波理論,無法正確解釋量子糾纏的實驗結果。
按照哥本哈根解釋,沒有一處違背決定論啊(我不說了,因為我無需證明自己沒有違法)
倒是其升級版「延遲選擇實驗」質疑了唯物主義。
另外,決定論確實無法被實驗證偽。因為即便A有時導致B,有時導致C,但由於測量誤差甚至測不準原理,你根本無法證明導致兩種不同結果的前提是相同的,所以實驗質疑不了決定論。因為波動方程符合決定論呀。(┌?。?)┌
我們是通過給解波函數的模方來預言粒子出現的幾率,但粒子的解是幾率的,波不是幾率的。
想不到單粒子雙縫干涉的原因,當然就有可能質疑決定論了,其實是有這樣的原因:
兩縫就是兩個透鏡,雙縫干涉A透鏡與B透鏡產生了相同衍射角的平行軌跡現象。所謂透鏡是縫邊緣有流動能量(類似引力透鏡,有漸變折射率)致使粒子路線有偏折,外界干擾會破壞過縫的平均概率分布。
還是符合決定論的。
謝邀。
普通的雙縫干涉實驗只是顯示了「波粒二象性」,我個人認為跟題主所關心的「決定論」關係不大,因為波粒二象性這個特性和實驗,似乎直觀上沒什麼違反因果決定論的地方。
個人覺得,跟「決定論」相關的可能是光子路徑的「延遲選擇」實驗吧。在光子後半路徑的測量,似乎「選擇」了前半路徑光子的通路。這個問題,本質上跟量子的「超距作用」是一樣的。就是說,量子世界的作用,並不像宏觀物體的作用那樣必須複合「定域性」,也不像宏觀物體運動那樣有清晰的「前因後果」。也就是不要把後半路徑的測量看做前半路徑路線的原因。
決定論怎麼解釋延遲選擇呢?我覺得,決定論,也不僅僅指宏觀物體運動的因果關係,而是泛指一切運動變化要符合物理定律。量子力學也是物理定律。延遲選擇,恰恰是被量子力學「決定」的。
前段時間還有人在微博用雙縫干涉等來給我講解不確定性原理。其實他們自己都是半桶水沒弄清楚。都是人云亦云。只是因為認知的局限導致不確定而已,事物的本身也許並沒有所謂的不確定性。至於雙縫干涉,我自己認為,「觀測」這個行為本身就對「獨立」系統施加了影響。
只要你放一個觀察機器在那觀察,量子就一定以粒子形態出現,不管你看不看觀察機器的結果,打在屏幕上的一定是無干涉的條紋,哪怕你兩個結果都不看的前提下,打壞觀察機器,再去看屏幕條紋,還是無干涉的雙縫條紋,所以意識影響量子行為可以休矣。二,只要你不放機器觀察它,它就一定以所有可能通過干涉縫。注意,這裡是「一定」,也就是說只要不觀察它,它就絕對不以粒子形態通過干涉縫,不管是延遲干涉實驗還是雙縫干涉實驗,都沒有違背這一點,而且一次也沒有錯過。這難道不是決定論嗎?
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