本文转载自公众号“赛先生”
惠勒的延迟选择实验将量子力学对传统哲学中实在观及因果律的挑战推向极致。但他认为这些问题并非哲学问题，而是物理问题，应该成为下一代物理学家所投身的目标。

（Credit: tsarcyanide/MIPT）
撰文 | 张天蓉
延迟选择实验是美国理论物理学家惠勒（John. A. Wheeler，1911－2008）在1979年提出的一个思想实验。上世纪80年代初，我到美国奥斯丁相对论中心读博士，惠勒是我的博士论文指导小组成员之一，当年他正在准备到中国访问的一篇讲稿，其内容就是基于他提出延迟选择实验的论文：“Law without Law”。因此，我有幸与惠勒合作将其讲稿翻译成中文。后来，此讲稿由科大的方励之整理编著，1982年出版，取名为《物理学和质朴性》[1]。
作为波尔学派的一员，惠勒对量子力学有深刻的理解，在2000年，量子力学诞生一百周年之际，惠勒写了一篇文章表示纪念[2]。文章中综述了量子力学的巨大成就，以及理论诠释存在的问题。惠勒一直到2008年96岁高龄去世之前，都还一直在继续思考量子力学中的哲学问题。
惠勒的延迟选择实验将量子力学对传统哲学中实在观及因果律的挑战推向极致。但他认为这些问题并非哲学问题，而是物理问题，应该成为下一代物理学家所投身的目标。
图1. 延迟选择实验
延迟选择实验实际上是杨氏双缝实验的变种。图1是其简单干涉仪版本。如图1a所示，从光源发射的光子束，到达半透镜1时兵分两路：50%的光子走向A，50%的光子走向B。经过A或B的全反射之后，分别到达探测器D1和D2。图1a中的C点，看起来像是个交叉点，但实际上两条光线互不搭架。因此，实验结果显示，当光子一个一个从光源发出来，有时候探测器D1响，有时候D2响，绝不会两个同时响。这个实验说明光是作为一个一个的光子被探测到的，显示出光的粒子性。
然后，惠勒说，我们在C点放上一个半透镜2，让两条光路关联起来。光子仍然是一个一个被发射出来，但这时，从A来到C的光子，不会全部走向D1了，而是有一半的可能性被半透镜2反射而走向D2。从B来到半透镜2的光子，也同样地面对着两种选择性，见图1b。这种情形下，实验结果显示，两条光路会发生干涉现象，并且，借助于调整两条路的光程差，可以做到探测器D1收不到任何信号，即两条光线相消，而只有D2收到信号，来到D2的两条光线相增。
上面实验结果并没有多奇怪，只是显示出了光的波动性质而已。如何解释单光子干涉呢？一种说法是光子同时走了两条路，就是说，光子在到达半透镜1的时候，决定了自己走一条路还是走两条路，一条路表示是粒子，走两条路说明是波！这种解释很奇怪：难道光子在到达半透镜1的时候，就已经知道道路前面的C处有没有半透镜2吗？并且，这种一个光子同时走两条路的解释在宏观世界是不可想象的，据说惠勒曾用一幅漫画来调侃：就像是滑雪者经过一棵树时的轨迹一分为二，左脚走一边，右脚走另一边。这和爱因斯坦当年的疑问本质上也是一样的，但是，谁也没能给出更好的解释呀。
那是1979年，爱因斯坦和波尔都相继进了天堂，只有惠勒、贝尔等还在折腾。于是，惠勒又说，既然光子是首先经过半透镜1时就决定了是走1条路或2条路，那么，我们就来个“延迟选择”，就是说，等（延迟）到光子过了半透镜1之后快到C点时，再决定（选择）放还是不放半透镜2，看看结果会如何呢？
实验结果使人大跌眼镜：如果不放半透镜2，光子似乎只走1条路，如果放半透镜2，光子走2条路。但是，光子早在半透镜1时就作了决定，怎么会被后来放没放半透镜2的行为所改变呢？这样就导致了一个怪异的结论：观察者现在的行为决定了光子过去的路线。好像是“未来改变了历史”，违反了因果律！
延迟选择实验被提出时，是个思想实验，但却具有实际可操作性。在惠勒提出构想5年之后，马里兰大学的一个团队实现了延迟实验，其结果与惠勒的预言一致。后来，更多的实验也证明了同样的结论。那就是，观察者最后的选择可以改变光子过去的决定！
这个思想实验中，从光源经过A、B的两条路线，原则上可以无穷长，于是，科学家们便尽可能地加长这两条光路，以增加“未来”与“过去”的时间差。2017年，意大利的几个物理学家在超长的空间尺度上（地面到外层卫星之间，3500公里）验证了惠勒的延迟选择实验。
不仅仅如此，惠勒还想象过在宇宙中天体的尺度上，利用中间星系对遥远恒星的引力透镜作用来实现延迟选择实验，如图2所示。
图2. 宇宙尺度上的延迟选择实验
惠勒也为此提出了一个具体的实验装置，将望远镜分别对准恒星所成的左右两个虚像，利用光导纤维调整光子间的光程差，形成干涉。
延迟选择实验突显了量子力学与经典物理在实在性、因果问题上的深刻分歧。物理学家们如何解释呢？大多数人不予解释，大师们仍然是各执己见，因为这归根到底还是量子力学诠释的问题。波尔、惠勒等代表的哥本哈根学派的基本说法可归纳如下：
不能将观察仪器与观察对象分开来讨论，放上半透镜2与不放半透镜2的两种情况，从经典观点看起来，只是光子行进过程中的最后部分不同，但这其实已经是两个完全不同的实验。玻尔曾说：“事实上，在粒子路径上再加任何一件仪器，例如一个镜子，都可能意味着一些新的干涉效应，它们将本质地影响关于最后记录结果的预言。” 
按照经典物理学的还原论，物质还原成分子、原子……直到基本粒子。而物理过程，也都可以分解成更小的部分。在延迟选择实验中，光子按照时间顺序通过半透镜1、（A或B）、C……还原成几个不同的时段（部分）。从经典观点看，既然C之前的观察仪器部分是完全相同的，光子在那些部分的行为也应该是完全相同的。这是得到“因果颠倒”荒谬结论的分析基础。但是，根据量子理论，却不能这样说。量子理论认为这是两个不同的实验。在每个实验中，都要把光子的全部行程当作一个整体来看待。不能认为两个实验中每个时段在不同的整体中会具有相同的行为。
此外，微观世界中的因果关系是否应该与其在宏观中的表现不一样，也是至今无定论的问题。
最简单的问题往往有最复杂的答案，时间和空间的问题就是很好的证明，延迟选择实验把时间问题尤其凸显了出来。
参考资料
[1] 惠勒，《物理学和质朴性》，方励之编. 安徽科学技术出版社，1982。
[2] Jimena Canales, The Physicist and the Philosopher: Einstein, Bergson, and the Debate that Changed Our Understanding of Time. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2015, 488pp.
来源：赛先生
编辑：奶盖四季青