细思极恐！量子延迟擦除实验，未来改变过去？背后真相到底是什么

未来可以改变过去的事吗？这在经典物理中当然是不可能发生的，但是在量子力学的一些实验中则会“发生”。

这就是著名的延迟选择量子擦除实验。网上关于这个实验的变种有很多，解读也有很多，但是具有严谨性的少之又少。最近很多人让我讲这个实验。我此前不愿讲这个实验，是因为这个实验的结果已经十分明确，在科学界几乎没有异议了，即便是延迟擦除实验，也无法逆转因果律，过去发生的事件是无法改变的。

网上关于这个实验的解释很多都是“惊悚”“恐怖”“逆转因果”甚至可以改变历史，回到过去。

当然，这些说法大都是错的。

本期文章将十分详细的解读这一实验的内在逻辑，搞清楚延迟选择量子擦除实验为何“诡异”。

在介绍这个实验之前，大家务必明确知道一个基本的量子概念，那就是波动性。

波动性就是说，微观世界的所有粒子，本质上都是波。至于我们常说的波粒二象性，粒子即是波也是粒子性，这并不严谨。因为波才说粒子的真实图样，粒子性只是表象而已。所谓的粒子性只是由于原本的波动性受到外部干扰，比如能量摄入，导致波态坍塌成比较聚集的局域波，这个局域波就更像一个粒子态而已。

只要深刻认识到这一点，不管是双缝干涉实验还是延迟选择量子擦除实验，都可以轻松理解。

对于单光子双缝干涉实验来说，我们一次只能发射一个光子，这个光子本质是波，所以波肯定会同时经过双缝，自然而然地也会进行干涉，要注意，单个光子在抵达屏幕前都是波态。抵达屏幕时之所以会表现出一个点状图案，是因为光子的波动性在抵达屏幕时会撞击屏幕，这种撞击本身就是外界能量干扰了波动性，使其坍塌成所谓的粒子性。

而仅凭一个光子经过双缝，也无法在屏幕上呈现出干涉图案。只需多次发射单个光子，这样就可以在屏幕上呈现较为清晰的干涉图案。

如果想要干涉图案消失也很简单，只需将光子的波动性破坏掉即可。而破坏波动性的方式就是用外界能量干扰光子。比如在光子的波动性抵达双缝之前，加一个探测器，这个探测器要获取光子的信息就必然会发射粒子撞击光子，这种撞击行为就会导致光子波动性坍塌，所以只要是任何测量行为，光子的波动性都会坍塌，从而丧失波动性，表现成粒子性(更聚集的波)，所以光子再经过双缝时，就不再波，也就不会同时经过双缝，而只能选择其中一个缝通过，所以在屏幕上就不会出现干涉图案。

现在的问题是，在单光子双缝干涉实验中，我们只能推测粒子同时经过了双缝，但是没有真正看见过粒子到底是怎样经过双缝的，如果我们非要看到粒子究竟是如何经过双缝的，就必须加探测器，而只要一部署探测器，粒子波动性就会坍塌，就不会同时经过双缝。所以我们好像永远都看不到粒子同时经过双缝时的场景。

当然，物理学家还是很聪明的，就会想方设法设计一种既不探测光子，还能看到粒子经过双缝的实验。

实验的大致思路是这样的，先让单个光子经过双缝，然后再将这个光子通过某种方式变成两个纠缠光子，其中一个纠缠光子先抵达屏幕，随后再观察另一个纠缠光子，这样就能在不破坏光子波动性的前提下，得知光子经过双缝时的信息。

详细过程是在双缝后面加一个bbo晶体，单个光子穿过双缝后，再通过bbo晶体就会变成两个纠缠光子，其中每一个纠缠光子是原来光子能量的一半。在这里，我得解释一下，纠缠光子其实还是比较容易制备的，只要原先的粒子通过某种方式分裂成两个粒子，它们之间基本上都会保持纠缠态。

另外，单个光子的能量E＝hν，h是普朗克常数，ν是频率，所以光子能量减半成两个纠缠粒子，只能是频率减半。

随后在bbo晶体后面布局5个探测器。但要注意，只有探测器1距离bbo晶体最近，探测器2，3，4，5都比较远，所以两个纠缠光子中的一个永远都是先抵达探测器1的。为了后面方便区分，我们将先抵达探测器1的光子称为第一个纠缠光子。而第二个纠缠光子随后会抵达另外四个探测器中的一个

现在我们再仔细看一下这个实验装置的布局。

在最左边是单光子发射器，然后是双缝挡板，其中一个上缝，一个下缝。

如果光子只经过上缝，那么在抵达bbo晶体时，分裂成两个纠缠光子，其两个纠缠光子的路径就是红色虚线标记的，如果光子经过下缝，那这两个纠缠光子的路径就是蓝色虚线。

不管光子经过上缝还是下缝，通过bbo晶体变成两个纠缠光子后，第二个纠缠光子的路径都有三种可能。

这是因为第二个纠缠粒子都会先通过分光镜，这个分光镜会将纠缠光子的路径以相同概率随机分配到三个不同的方向。比如上缝的第二个纠缠粒子会被随机引导到2，4，5号探测器上。

下缝的第二个纠缠粒子会被随机引导到3，4，5号探测器上。

你会发现，不管是经过上缝还是下缝的第二个纠缠光子都有可能抵达4和5号探测器，但唯独2和3号探测器是明确的，也就说能抵达2号探测器的光子必然通过了上缝，因为通过下缝的纠缠光子没有抵达2号探测器的路径，同理，抵达3号探测器的光子也必然只能来自下缝。

所以只要探测器2或3亮起，那我们就可以明确得知光子经过双缝时的具体路径，这就相当测量了光子，所以2或3号探测器就不会呈现干涉条纹。

这时候我们再用粒子波动性整体分析一下这个实验。首先，一个光子从发射器出发，这时候光子还未被干扰，所以光子就是波，在抵达双缝后，光子依旧是波，随后通过bbo晶体，光子被分裂成两个纠缠光子，这种分裂就是一种干扰的行为，事实上，光子波动性在经过bbo晶体时就已经丧失了。即便光子已经变成两个纠缠光子，那么在探测器上也不会出现干涉条纹。所以第一个纠缠光子在抵达探测器1时，永远不会出现干涉条纹。

这里要注意一下分光镜，有人可能认为这些分光镜也会干扰光子的波动性，其实并不会，分光镜的本质只是改变光子方向，经过分光镜的光子严格来说虽然不是原来的光子，但后来的光子与原来的光子是全同粒子，量子属性完全相同，所以纠缠态是不会改变的。其实也没必要区别所谓的原来和后来，这只是语境上的区分。

所以在整个实验中，唯一会导致光子波动性坍塌的设备就是这个会制备纠缠光子的bbo晶体。

于是所有光子在抵达任何一个探测器前，其波动性就已经坍塌了，理论上所有探测器都不会出现干涉条纹的，先记住这个结论。后来之所以会出现干涉条纹只是假象而已。

由于探测器1 距离双缝最近，所以第一个纠缠粒子永远先抵达探测器1，而探测器1屏幕上则是永远会是非干涉图案。由于第二个纠缠光子抵达屏幕会晚一些，所以就有延迟，这就是延迟擦除实验的延迟性。

对于第二个纠缠光子，如果它抵达探测器2，则说明来自上缝，如果抵达探测器3，则说明来自下缝，对于抵达探测器2或3的光子，这时候我们已经明确知道光子的路径信息，这就相当于测量，所以必然也会显示非干涉图案。

而如果光子抵达探测器4或者探测器5，我们就无法得知光子到底来自上缝还是下缝。因为通过上缝和下缝的光子都有可能抵达探测器4和5。这时候路径信息好像就被擦除了，这就是延迟擦除实验的擦除性。

由于路径信息被“擦除”，这就意味着我们没有测量过光子，那么光子还具有波动性，所以在探测器4和5上就是干涉条纹。于此同时，原本在探测器1屏幕上的非干涉图案随即变成了干涉条纹。

问题是，探测器1屏幕上的图案已经是过去发生的事，怎么会根据第二个纠缠光子后来选择抵达哪个探测器而发生改变。

在这里，或许就有人会说，你看吧，量子延迟擦除实验已经证明未来的事件可以改变过去的事。于是就有了因果律被颠覆的谣传。

到这里，可能很多人都发现了不对劲。

因为前面已经说了，光子波动性在经过bbo晶体时就已经坍塌，随后任何一个探测器也不应该出现干涉条纹。

如果我们把五个探测器上的图案都展示出来，就会发现只有探测器1是完整的非干涉图案，2，3虽然也是非干涉图案，但却不完整，而探测器4和5是干涉条纹。

仔细观察就会发现，探测器4和5的干涉条纹并不一样，而恰恰相反。4号探测器的波峰对应5号探测器的波谷，而且这种关系严格对应。如果将它们之间叠加在一起，就会合成非干涉图案。

为什么会这样？

其实答案很简单，光子波动性在经过bbo晶体的时候就已经坍塌，后面任何探测器接收到的图案本质都一定是和探测器1一样的非干涉图案。而我们自以为通过聪明而巧妙的实验设计回避了测量。以为只要光子抵达探测器4或5就能擦除路径。殊不知，这样做只会让本来是非干涉的图案以相同的概率随机分成四份，探测器2和3各占四分之一个非干涉图案(d1)，组合在一起就是d1非干涉图案的一半。探测器4和5各占四份之一个干涉条纹，组合在一起就是d1非干涉图案的另一半。如果把探测器2，3，4，5组合在一起，就会共同形成探测器1的完整非干涉图案。而其中所谓的干涉条纹只是假象而已。

严格来说，2，3，4，5号探测器本来就属于一个探测器，这些探测器本来都是对第二个纠缠光子的测量，而第二个纠缠光子的图案本质就应该和第一个纠缠光子的d1图案一样。但是我们将这个探测器拆分成四个，而粒子会随机抵达这四个探测器，所以原本的非干涉图案就会被四个探测器随机拆分，其中两个干涉图案只是被拆分后的结果而已。

还有一个问题是，为什么第二个纠缠光子抵达探测器4和5后，探测器1上原本的非干涉图案也变成了干涉条纹。

事实上，探测器1上的非干涉图案一直没有改变，但由于1号探测器的光子与4和5号探测器的光子存在纠缠关系。我们随后在检查探测器1上的图案会提取和探测器4和5一样的图案。

换句话说，探测器1在分析数据时，会将具有纠缠关系的图案单独提取出来，从而和探测器4和5保持同步。

所以就好像出现干涉条纹。

事实上，所谓的延迟擦除实验并没有改变过去。这只是实验设计的缺陷导致的。但这种缺陷非人力所能及。本质上，人类还无法找到绝对没有干扰的延迟擦除实验。或者严格来说，自然规律就不允许无干扰的量子擦除实验的出现。延迟擦除量子实验本质上和海森堡的不确定性原理一样，并不是科技水平导致的，而是量子世界的内禀属性。