Эксперимент Уилера с отложенным выбором описывает семейство мысленных экспериментов в квантовой физике, предложенных Джоном Арчибальдом Уилером , наиболее известные из которых появились в 1978 и 1984 годах. [1] Эти эксперименты иллюстрируют центральный момент квантовой теории:
Неверно приписывать фотону осязаемость на всем протяжении его путешествия от точки входа до последнего момента полета. [2] : 184
Эти эксперименты закрывают лазейку в традиционном двухщелевом эксперименте, демонстрирующем, что квантовое поведение зависит от экспериментальной установки. Дыра была названа моделью «заговора», где свет каким-то образом «чувствует» экспериментальный аппарат, подстраивая его поведение под поведение частицы или волны. Изменяя аппарат после того, как фотон должен был «лететь», дыра закрывается. Космические версии отложенного выбора используют фотоны, испущенные миллиарды лет назад; результаты не изменились. [3] Концепция отложенного выбора оказалась продуктивной для многих показательных экспериментов. [4] Новые версии концепции отложенного выбора используют квантовые эффекты для управления «выбором», что приводит к экспериментам с квантовым отложенным выбором.
Эксперимент Уиллера с отложенным выбором демонстрирует, что ни одна модель распространения частиц, согласующаяся с теорией относительности, не объясняет квантовую теорию. [2] : 184 Как и в эксперименте с двумя щелями , концепция Уиллера имеет два эквивалентных пути между источником и детектором. Как и версии двухщелевого эксперимента с выбором пути , эксперимент проводится в двух версиях: одна предназначена для обнаружения интерференции волн, а другая — для обнаружения частиц. Новый ингредиент в подходе Уиллера — отложенный выбор между этими двумя экспериментами. Решение об измерении интерференции волн или траектории частиц откладывается до момента непосредственно перед обнаружением. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что любая перемещающаяся частица или волна пройдет область двух различных путей в квантовой системе до того, как будет сделан выбор эксперимента. [5] : 967
В попытке избежать разрушения обычных представлений о причине и следствии некоторые теоретики [ кто? ] предположили, что информация о том, был ли установлен второй светоделитель или нет, может каким-то образом передаваться из конечной точки экспериментального устройства обратно к фотону, когда он только входил в это экспериментальное устройство, тем самым позволяя ему принять правильное «решение». Поэтому Уилер предложил космическую версию своего эксперимента. В этом мысленном эксперименте он спрашивает, что произойдет, если квазар или другая галактика в миллионах или миллиардах световых лет от Земли пропустит свой свет вокруг промежуточной галактики или скопления галактик, которые будут действовать как гравитационная линза. Фотон, направляющийся точно к Земле, столкнется с искажением пространства в непосредственной близости от промежуточной массивной галактики. В этот момент ему придется «решить», идти ли одним путем вокруг линзирующей галактики, путешествуя как частица, или идти обоими путями, путешествуя как волна. Когда фотон прибудет в астрономическую обсерваторию на Земле, что произойдет? Из-за гравитационного линзирования телескопы в обсерватории видят два изображения одного и того же квазара, одно слева от линзирующей галактики, а другое справа от нее. Если фотон путешествовал как частица и попадает в ствол телескопа, направленного на левое изображение квазара, он, должно быть, решил путешествовать как частица все эти миллионы лет, или так говорят некоторые экспериментаторы. Этот телескоп направлен не в ту сторону, чтобы что-либо уловить из другого изображения квазара. Если фотон путешествовал как частица и пошел в другую сторону, то его уловит только телескоп, направленный на правый «квазар». Итак, миллионы лет назад фотон решил путешествовать в облике частицы и случайно выбрал другой путь. Но теперь экспериментаторы решают попробовать что-то еще. Они направляют выходной сигнал двух телескопов в светоделитель, как показано на схеме, и обнаруживают, что один выходной сигнал очень яркий (что указывает на положительную интерференцию), а другой выходной сигнал по сути равен нулю, что указывает на то, что входящие пары волновых функций самоликвидировались.
Затем Уилер выступает в роли адвоката дьявола и предполагает, что, возможно, для получения этих экспериментальных результатов необходимо, чтобы в тот момент, когда астрономы вставили свой светоделитель, фотоны, покинувшие квазар несколько миллионов лет назад, задним числом решили путешествовать как волны, и когда астрономы решили снова вытащить свой светоделитель, это решение было передано назад во времени фотонам, которые покидали квазар несколько миллионов лет и несколько минут назад, так что фотоны задним числом решили путешествовать как частицы.
Несколько способов реализации основной идеи Уиллера были воплощены в реальных экспериментах, и они подтверждают вывод, который Уиллер предполагал [ необходима ссылка ] — то, что действия, выполняемые на выходном порте экспериментального устройства до обнаружения фотона, будут определять, проявятся ли в нем явления интерференции или нет.
Второй тип эксперимента напоминает обычный эксперимент с двумя щелями. Схематическая диаграмма этого эксперимента показывает, что линза на дальней стороне двух щелей заставляет путь от каждой щели немного расходиться от другого после того, как они пересекаются друг с другом довольно близко к этой линзе. Результатом является то, что две волновые функции для каждого фотона будут находиться в суперпозиции на довольно коротком расстоянии от двух щелей, и если в области, где волновые функции находятся в суперпозиции, предусмотрен экран обнаружения, то будут видны интерференционные картины. Нет никакого способа, с помощью которого любой данный фотон мог бы быть определен как прибывший из одной или другой из двух щелей. Однако, если экран обнаружения удален, волновые функции на каждом пути будут накладываться на области все более низких амплитуд, и их объединенные значения вероятности будут намного меньше, чем неусиленные значения вероятности в центре каждого пути. Когда телескопы направлены на пересечение центра двух путей, будут равные вероятности около 50%, что фотон появится в одном из них. Когда фотон обнаруживается телескопом 1, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, которая вышла из нижней щели. Когда фотон обнаруживается телескопом 2, исследователи могут связать этот фотон с волновой функцией, которая вышла из верхней щели. Объяснение, которое поддерживает эту интерпретацию экспериментальных результатов, состоит в том, что фотон вышел из одной из щелей, и это конец вопроса. Фотон должен был начаться в лазере, пройти через одну из щелей и достичь по одному прямолинейному пути соответствующего телескопа.
Ретрокаузальное объяснение, которое Уилер не принимает, гласит, что при наличии экрана обнаружения должна проявиться интерференция. Для проявления интерференции световая волна должна выйти из каждой из двух щелей. Следовательно, одиночный фотон, попадая в двухщелевую диафрагму, должен был «решить», что ему нужно пройти через обе щели, чтобы иметь возможность интерферировать с самим собой на экране обнаружения. Для того, чтобы не проявилась интерференция, одиночный фотон, попадая в двухщелевую диафрагму, должен был «решить» пройти только через одну щель, потому что это заставило бы его появиться на камере в соответствующем одиночном телескопе.
В этом мысленном эксперименте телескопы всегда присутствуют, но эксперимент может начаться с экрана обнаружения, который присутствует, но затем удаляется сразу после того, как фотон покидает двухщелевую диафрагму, или эксперимент может начаться с экрана обнаружения, который отсутствует, а затем вставляется сразу после того, как фотон покидает диафрагму. Некоторые теоретики утверждают, что вставка или удаление экрана в середине эксперимента может заставить фотон ретроактивно решить пройти через двухщелевые щели как частица, когда он ранее прошел через них как волна, или наоборот. Уилер не принимает эту интерпретацию.
Эксперимент с двойной щелью, как и шесть других идеализированных экспериментов (микроскоп, расщепленный луч, наклонные зубцы, диаграмма направленности, поляризация одного фотона и поляризация парных фотонов), навязывает выбор между дополнительными режимами наблюдения. В каждом эксперименте мы нашли способ отсрочить выбор типа явления, которое нужно искать, до самой последней стадии развития явления, и это зависит от того, какой тип устройства обнаружения мы затем остановимся. Эта задержка не влияет на экспериментальные предсказания. В этом отношении все, что мы находим, было предвосхищено в том одиноком и содержательном предложении Бора: «...не может иметь никакого значения, в отношении наблюдаемых эффектов, получаемых с помощью определенной экспериментальной установки, фиксированы ли наши планы по созданию или использованию инструментов заранее или мы предпочитаем отложить завершение нашего планирования до более позднего момента, когда частица уже будет на пути от одного инструмента к другому». [8]
В интерпретации квантовой механики Бома частица подчиняется классической механике, за исключением того, что ее движение происходит под дополнительным влиянием ее квантового потенциала . [9] [10] [11] : 279 Фотон или электрон имеют определенную траекторию и проходят через одну или другую из двух щелей, а не через обе, как и в случае классической частицы. Прошлое определено и остается тем, чем оно было до момента T 1 , когда экспериментальная конфигурация для обнаружения его как волны была изменена на конфигурацию обнаружения частицы во время прибытия T 2 . В T 1 , когда экспериментальная установка была изменена, квантовый потенциал Бома изменяется по мере необходимости, и частица движется классически под новым квантовым потенциалом до T 2 , когда она обнаруживается как частица. Таким образом, механика Бома восстанавливает общепринятый взгляд на мир и его прошлое. Прошлое существует как объективная история, не поддающаяся изменению ретроактивно посредством отложенного выбора. Квантовый потенциал содержит информацию о граничных условиях, определяющих систему, и, следовательно, любое изменение экспериментальной установки отражается в изменениях квантового потенциала, который определяет динамику частицы. [11] : 6.7.1 Однако квантовый потенциал нелокален, и любое его изменение происходит мгновенно, что несовместимо с теорией относительности. [12] : 121
Оригинальное обсуждение Джоном Уилером возможности кванта отложенного выбора появилось в эссе под названием «Закон без закона», которое было опубликовано в книге, которую он и Войцех Хуберт Журек редактировали под названием « Квантовая теория и измерение» , стр. 182–213. Он представил свои замечания, повторив спор между Альбертом Эйнштейном, который хотел постижимой реальности, и Нильсом Бором, который считал, что концепция реальности Эйнштейна была слишком ограниченной. Уилер указывает, что Эйнштейн и Бор исследовали последствия лабораторного эксперимента, который будет обсуждаться ниже, в котором свет может найти свой путь из одного угла прямоугольной решетки полупосеребренных и полностью посеребренных зеркал в другой угол, а затем может быть обнаружен не только как прошедший половину периметра по одному пути и затем вышедший, но также как прошедший оба пути по периметру и затем «сделавший выбор» относительно того, выходить ли через один порт или другой. Этот результат справедлив не только для пучков света, но и для отдельных фотонов света. Уилер заметил:
Эксперимент в форме интерферометра , обсуждаемый Эйнштейном и Бором, теоретически мог бы использоваться для исследования того, движется ли фотон иногда по одному пути, всегда ли следует по двум путям, но иногда использует только один, или же может возникнуть что-то еще. Однако было проще сказать: «Мы будем вставлять второе полупосеребренное зеркало во время случайных запусков эксперимента как раз перед тем, как фотон успеет туда попасть», чем придумать способ сделать такую быструю замену. Скорость света слишком велика, чтобы позволить механическому устройству выполнить эту работу, по крайней мере, в пределах лаборатории. Чтобы обойти эту проблему, потребовалась большая изобретательность.
После публикации нескольких подтверждающих экспериментов Жак и др. заявили, что их эксперимент полностью следует оригинальной схеме, предложенной Уилером. [13] [14] Их сложный эксперимент основан на интерферометре Маха-Цендера , включающем в себя запускаемый алмазный генератор фотонов N–V цветового центра, поляризацию и электрооптический модулятор, действующий как переключаемый светоделитель. Измерение в закрытой конфигурации показало интерференцию, тогда как измерение в открытой конфигурации позволило определить путь частицы, что сделало интерференцию невозможной.
До недавнего времени эксперимент с интерферометром в версии Уилера не мог быть выполнен в лаборатории из-за практической сложности вставки или удаления второго светоделителя в короткий промежуток времени между входом фотона в первый светоделитель и его прибытием в место, предусмотренное для второго светоделителя. Эта реализация эксперимента осуществляется путем увеличения длины обоих путей путем вставки длинных отрезков оптоволоконного кабеля. Это значительно увеличивает временной интервал, связанный с транзитами через аппарат. Высокоскоростное переключаемое устройство на одном пути, состоящее из высоковольтного переключателя, ячейки Поккельса и призмы Глана-Томпсона , позволяет отклонить этот путь от его обычного назначения, так что этот путь фактически заходит в тупик. При работе обходного пути ничто не может достичь ни одного из детекторов по этому пути, поэтому не может быть никаких помех. При его выключении путь возобновляет свой обычный режим действия и проходит через второй светоделитель, заставляя интерференцию снова появляться. Эта конструкция на самом деле не вставляет и не удаляет второй светоделитель, но она позволяет переключаться из состояния, в котором интерференция появляется, в состояние, в котором интерференция не может появиться, и делать это в интервале между входом света в первый светоделитель и выходом света из второго светоделителя. Если бы фотоны «решили» войти в первый светоделитель как волны или частицы, они должны были бы быть направлены на отмену этого решения и пройти через систему в своем другом облике, и они должны были сделать это без какого-либо физического процесса, передаваемого входящим фотонам или первому светоделителю, потому что такой вид передачи был бы слишком медленным даже на скорости света. Интерпретация Уиллером физических результатов была бы такова, что в одной конфигурации двух экспериментов одна копия волновой функции входящего фотона принимается с вероятностью 50% на одном или другом детекторе, и что в другой конфигурации две копии волновой функции, путешествуя по разным путям, достигают обоих детекторов, не совпадают по фазе друг с другом и, следовательно, демонстрируют интерференцию. В одном детекторе волновые функции будут в фазе друг с другом, и результатом будет то, что фотон будет иметь 100% вероятность появления в этом детекторе. В другом детекторе волновые функции будут на 180° не в фазе, будут точно нейтрализовывать друг друга, и будет 0% вероятность появления их связанных фотонов в этом детекторе. [15]
Космический эксперимент, задуманный Уиллером, можно описать либо как аналог эксперимента с интерферометром, либо как аналог эксперимента с двумя щелями. Важно то, что с помощью третьего типа устройства, массивного звездного объекта, действующего как гравитационная линза, фотоны из источника могут прибывать двумя путями. В зависимости от того, как расположены разности фаз между парами волновых функций, соответственно могут наблюдаться различные виды явлений интерференции. Объединять входящие волновые функции или нет, и как объединять входящие волновые функции, могут контролировать экспериментаторы. Нет никаких разностей фаз, вносимых в волновые функции экспериментальным оборудованием, как в лабораторных экспериментах с интерферометром, поэтому, несмотря на отсутствие двухщелевого устройства вблизи источника света, космический эксперимент ближе к двухщелевому эксперименту. Однако Уиллер планировал эксперимент по объединению входящих волновых функций с помощью светоделителя. [16]
Основная сложность в проведении этого эксперимента заключается в том, что экспериментатор не контролирует и не знает, когда каждый фотон начал свое путешествие к Земле, и экспериментатор не знает длины каждого из двух путей между далеким квазаром. Поэтому вполне возможно, что две копии одной волновой функции могут прибыть в разное время. Чтобы сопоставить их во времени, чтобы они могли взаимодействовать, потребуется использовать какое-то устройство задержки для первого прибывшего фотона. Прежде чем эта задача может быть выполнена, необходимо найти способ рассчитать временную задержку.
Одно из предположений по синхронизации входов с двух концов этого космического экспериментального аппарата заключается в характеристиках квазаров и возможности идентификации идентичных событий с некоторыми сигнальными характеристиками. Информация от квазаров-близнецов, которую Уилер использовал в качестве основы для своих предположений, достигает Земли с разницей примерно в 14 месяцев. [17] Найти способ удержать квант света в некоем виде петли в течение года было бы непросто.
Версия эксперимента с двумя щелями Уилера организована таким образом, что один и тот же фотон, выходящий из двух щелей, может быть обнаружен двумя способами. Первый способ позволяет двум путям сойтись, позволяет двум копиям волновой функции перекрыться и показывает интерференцию. Второй способ отдаляет источник фотонов в положение, где расстояние между двумя копиями волновой функции слишком велико, чтобы показать эффекты интерференции. Техническая проблема в лаборатории заключается в том, как вставить экран детектора в точку, подходящую для наблюдения эффектов интерференции, или удалить этот экран, чтобы показать детекторы фотонов, которые могут быть ограничены приемом фотонов из узких областей пространства, где находятся щели. Одним из способов выполнения этой задачи было бы использование недавно разработанных электрически переключаемых зеркал и простое изменение направлений двух путей от щелей путем включения или выключения зеркала. По состоянию на начало 2014 года [update]такой эксперимент не был объявлен.
Космический эксперимент, описанный Уилером, имеет и другие проблемы, но направление копий волновой функции в одно или другое место задолго до того, как фотон, предположительно, «решил», быть ли ему волной или частицей, не требует большой скорости. На выполнение этой работы у нас есть около миллиарда лет.
Космическая версия эксперимента с интерферометром может быть адаптирована для работы в качестве космического двухщелевого устройства, как показано на иллюстрации. [18] : 66
Первый реальный эксперимент, который следовал замыслу Уиллера, заключающемуся в том, чтобы подвергнуть двухщелевой аппарат определению метода обнаружения в конце игры, был проведен Уолборном и др. [19].
Исследователи, имеющие доступ к радиотелескопам, изначально разработанным для исследований SETI , объяснили практические трудности проведения межзвездного эксперимента Уиллера. [20]
Вместо того, чтобы механически активировать задержку, более новые версии эксперимента с отложенным выбором проектируют два пути, контролируемых квантовыми эффектами. Затем общий эксперимент создает суперпозицию двух результатов, поведения частицы или поведения волны. Эта линия экспериментов оказалась очень сложной для осуществления, когда она была впервые задумана. Тем не менее, она оказалась очень ценной на протяжении многих лет, поскольку она привела исследователей к предоставлению «все более сложных демонстраций дуализма волны и частицы отдельных квантов». [21] [22] Как объясняет один экспериментатор, «волновое и корпускулярное поведение могут сосуществовать одновременно». [23]
Недавний эксперимент Мэннинга и др. подтверждает стандартные предсказания стандартной квантовой механики с атомом гелия. [24]
Был предложен макроскопический квантовый эксперимент с отложенным выбором: когерентное взаимодействие двух углеродных нанотрубок может контролироваться усиленными одиночными фононными событиями. [25]
Ма, Цайлингер и др. обобщили то, что можно узнать в результате экспериментов, возникших из предложений Уиллера. Они говорят:
Наша работа демонстрирует и подтверждает, что то, выявляют ли корреляции между двумя запутанными фотонами информацию welcher-weg ["каким образом"] или интерференционную картину одного (системного) фотона, зависит от выбора измерения на другом (окружающем) фотоне, даже когда все события на двух сторонах, которые могут быть пространственно-подобно разделены, являются пространственно-подобно разделенными. Тот факт, что можно решить, проявляется ли волновая или корпускулярная особенность спустя долгое время после — и даже пространственно-подобно разделены — измерения, учит нас, что у нас не должно быть никакой наивной реалистичной картины для интерпретации квантовых явлений. Любое объяснение того, что происходит в конкретном индивидуальном наблюдении одного фотона, должно учитывать весь экспериментальный аппарат полного квантового состояния, состоящего из обоих фотонов, и оно может иметь смысл только после того, как будет записана вся информация, касающаяся дополнительных переменных. Наши результаты показывают, что точка зрения, согласно которой системный фотон ведет себя либо определенно как волна, либо определенно как частица, потребует сверхсветовой связи. Поскольку это находилось бы в сильном противоречии со специальной теорией относительности, мы считаем, что от такой точки зрения следует полностью отказаться. [26]
Концепция эксперимента с отложенным выбором началась как серия мысленных экспериментов в квантовой физике , впервые предложенных Уилером в 1978 году. [27] [28] Согласно принципу дополнительности , можно измерить «частичноподобные» (имеющие точное местоположение) или «волнообразное» (имеющие частоту или амплитуду) свойства фотона, но не оба одновременно . Какая именно характеристика измеряется, зависит от того, используют ли экспериментаторы устройство, предназначенное для наблюдения за частицами или для наблюдения за волнами. [29] Если это утверждение применять очень строго, можно утверждать, что, определив тип детектора, можно заставить фотон проявиться только как частица или только как волна. Обнаружение фотона, как правило, является деструктивным процессом (см. квантовое неразрушающее измерение для неразрушающих измерений). Например, фотон может быть обнаружен как следствие поглощения электроном в фотоумножителе , который принимает его энергию, которая затем используется для запуска каскада событий, который производит «щелчок» от этого устройства. В случае эксперимента с двумя щелями фотон выглядит как сильно локализованная точка в пространстве и времени на экране. Накопление фотонов на экране дает указание на то, должен ли фотон пройти через щели как волна или мог пройти как частица. Говорят, что фотон прошел как волна, если накопление приводит к типичной интерференционной картине волн (см. Эксперимент с двумя щелями § Интерференция от отдельных частиц для анимации, показывающей накопление). Однако, если одна из щелей закрыта или два ортогональных поляризатора помещены перед щелями (что делает фотоны, проходящие через разные щели, различимыми), то никакой интерференционной картины не появится, и накопление можно объяснить как результат фотона, проходящего как частица.