量子力学之延迟选择实验
单电子的双缝实验带来反常和延迟选择实验的提出
咱们得从双缝干涉实验讲起，你看那单色光线儿透过俩狭缝儿，在屏幕上蹦跶出来的就不是两条光带，而是一溜溜明暗交替的条纹儿。这玩意儿就是波的干涉图样，形象生动地诠释了光给本就是波动性的，完全契合经典物理学那一套说辞。
可好景不长，就在量子力学崭露头角的那会儿，大名鼎鼎的德布罗意大侠挥毫疾书，写下千古绝唱——物质波理论，言简意赅地揭示了世间万物都是波，哪怕你瞅不见的微观粒子也不能例外，还信手拈来一串公式告诉咱们如何去计算粒子波长。这理论不就是在挑战咱平日里的日常经验嘛！你试试看能不能想象有重量的物体也能像波那样振荡起伏呢？
好啦，既然意识到这个理论的大胆程度，科学家们义不容辞，开始琢磨着用真实存在的电子来证明这一奇谈怪论。要是电子果真是波的话，那电子经过双缝之后，屏幕上会不会跟光一样搞出个干涉条纹儿呢？
终于，在1961年，德国蒂宾根大学的克劳斯·约恩松初次尝试用电子打造双缝干涉实验。实验效果可谓惊世骇俗，屏幕上真真实实地浮现出了一幅斑驳陆离的干涉条纹。
结果已然明确，电子显然是具备波动性的。可是，科学家们们仍然摸不着头脑，电子明明是实实在在的实物粒子，咋就突然有了波动性呢？唯一一点说得通的解释就是，多颗电子互相影响产生了干涉现象。
可是，如果每次只射出一枚电子的话，理论上应该是见不到干涉图样的才对呀。1974年，那个才华横溢的皮尔梅林教授团队首次成功完成了单个电子的双缝干涉实验，他们每次只会发出一个电子。尽管每颗电子各自作为一份子冲击到屏幕上，但展现的却是清晰的干涉图像，这实在让人匪夷所思。
就是说啊，即使只是单个电子也能搞出那种意想不到的方式同时穿过双缝，然后跟自己搞上一场干涉戏码。这种现象让人不禁感叹：物理学的世界真的是奇妙无比，超脱了我们的常规认知。
为了更深入地探索这个问题，费曼大佬儿提出了一个妙招：在双缝旁边安装探测器，看看电子是怎么走过双缝的。可惜哒，一旦把这探测器一安上，屏幕上那原本分明的干涉图案瞬间消失无踪，转瞬变成了跟子弹横飞似的双缝统计图样，电子的波动性质随之消散。
这个实验告诉大家，不做探测的话，电子就呈现为波状；可一旦被探测到，立刻就变成了小粒子。按理来说，大家都会觉得这是因为探测行为干扰了电子的行为，然而后来的研究发现，核心问题并不在于探测本身，而是要看获取的信息。
眼看探测可能干扰了电子的行为，科学家们于是又另辟蹊径，将电子换成了光子，然后将探测器悄悄躲在屏幕后方，瞄准两个缝隙。在实验过程中，光子同样也是逐一发射的，如果撤走屏幕，光子就又分崩离析，每一束光子只会被左方或右方的探测器捉住。可只要把挡板拿来挡住探测器，光子便恢复成波动状态，显现出干涉条纹。
这下可好了，光子的行踪不明，那就是波；可一旦知道了光子的具体路线，就沦为粒子的命。老实说，费曼的博士导师惠勒，这人脑子就是活络。他曾经推测说整个宇宙只 有一个电子的家伙。
你们知道嘛，听人说这个观测数据可以左右干涉情况的试验，那位叫惠勒的大哥在1978年居然想到了这么一出儿！给你举个例子哈，假设咱们这儿有个离地球老远儿的星系，距离高达十亿光年呢！天儿知道，星光经过爱因斯坦引力透镜的神操作，变成两股子光，就跟杨氏双缝实验似的。
假如咱们老盯着一股子星星的光芒看，嘿，它们可不就是一路奔来的小颗粒吗？可是要是咱们把这两股子光拢到一块儿，搞点儿干涉啥的，嗨，那它们可就变成波浪一路飘过来了。
唉呀妈呀，这不就是说明，咱们现在的一念之差就能决定这光子离开星系十亿年前究竟是波动模式还是粒子模式了吗？对应着前面提到的双缝干涉实验，这事儿就像咱们在光子已经穿过双缝之后，突然决定撤销屏幕或者加上屏幕一样神奇喔！
延迟选择的实验描述
当然，这里说的都只是思想实验，毕竟对于双缝干涉实验来说，你不可能真的等到光子过了双缝再手 动撤掉屏幕，那肯定是来不及的。2007年，几个法国物理学家真的做成了这个延迟选择实验，只 不过他们使用的不是双缝，而是干涉仪。干涉仪的结构非常简单，由一束激光，两个分束器，两面镜子和两个探测器组成。所谓分束器，其实就是一 块单面镀了一层银的后玻璃，它能将一束入射光分成两束，一束反射，一束透射。
为什么叫干涉仪呢？因为光线每一次被镜子或者被分束器的外表面反射时，相位都会增加半个波长(图一的蓝色放射光)。而每一次透射，或者被分束器的内表面反射时，都不会改变相位（图一的透射图二透射和反射）。这 就导致从两个路径出来，通往探测器一的光束正好相差半个波长，以至于它们会发生相消干涉。
而通往探测器二的 两束光相位相同，正好合并成原来的那一束光。总之，只要我们把角度和位置调整得足够精确，那就只有探测器二能接收到光。这个装置其实有个名字叫做马赫赠德尔干涉仪，它其实就相当于 是升级版的杨氏双缝实验，上下两条路径相当于双缝，第二个分束镜相当于屏幕。
这里+Π 或者 +0 都是针对最原始的光源的相位而言，橙色的是路径一的相位变化，蓝色是路径二相位变化。
和双缝干涉相比，这种干涉仪可以随意改变光的相位，可操控性和可扩展性都更强，实验结果也更干净 。
如果每次指向干涉仪发射一个光子，当这个自由的光子遇到分束镜时，不管是第一个还是第二个，应该都是有一半的可能性被反射，一半的可能性透射。所以，如果我们发射了十万个光子，那结果就应该是两个探测器各收到大约五万个，对吧？但事实并非如此，事实是，无论你发射多少个光子，第一个探测器永远也收不到。
只有当 你撤掉第二个分束镜后，两个探测器才能变成五五开。其原因也很简单，就和单电子的双缝干涉一样。如果撤掉第二个分束镜，光子的路径信息被暴露，它就只能表现出粒子性，如果把第二个分束镜再放上去，光子的路径信息被掩盖(或者说擦除路径信息-其实用擦除是宏观思维，并不准确，后面会有实验在量子力学范畴内的解释)，它就表现出波动性。
现实版的延迟选择实验是如何做的呢？实验的要 点是，要确保光子在走过第一个分束镜之后，再撤掉或放上第二个分束镜。而实际上，这次实验的干涉仪长度只有48米，实验精度不允许它们真等到光子离开第一个分束镜之后再装上第二个分束镜。它们的做法是，发射很多次光子，然后让第二个分束镜随机打开或关闭。分束镜开关过程耗时很短，只需要几个纳秒，这 就确保了总有一些时候，第二个分束镜是在光子离开第一个分束镜之后才打开或者关闭的。
实验结果是，只要是第二个分束镜打开，就一定只有探测器2能接收到光子。而只要第二个分束镜关闭，两个探测器收到的光子数，就是5开，延迟选择成立。2017年，又有几个意大利物理学家通过地面望远镜和卫星做成了超远距离的延迟选择实验。实验最远处达到了3500公里，使得开关第二个分束器有了长达10毫秒的反应时间。实验结果是，延迟选择依然成立。
我们应该如何理解这个现象呢？
天天都有人在喊“选择决定命运”，可你们知道选择真的能够改变过去的轨迹吗？说白了啊，其实就是这么回事儿！咱们撤掉这束镜头可没啥大不了的，就算是撤走了，那老早发生过的事儿还是稳如泰山，跑不掉了。这可就奇了怪了呀，究竟哪儿出了岔子呢？嗨，还得从咱们的描述说起哇。问题吧，就出在咱们对结果的理解上，对实验的猜测啦。就拿撤走第二个镜头来说吧，就因为头一个探测器收到了光子，咱们就自以为是地以为光子选择了路径2。可是真是咱们误会了事实哦！
这时候呢，光子其实还是在上下两条路上混着呢。只有当它真的撞上侦探那个小绿豆以后，叠加态才有可能坍塌。要不然的话，它可是以五五开的机会在两条路上晃悠的哟！
而且啊，它可不娇气，哪儿都能去。所以呢，也就不存在什么现在改过去的神奇现象啦。你听说过什么叫量子纠缠吧？这可是量子物理里的最重要的一环。然后是费曼这个大牛的路径积分理论。在那些双缝干涉试验啊、马赫-曼德尔干涉仪实验这些里面啊，光子就在我们发现他们前，一直是个半迷糊的状态，波函数可没崩塌，所以压根儿看不出粒子的模样。光子就跟逛大街似的，到处沾花惹草，每条道路通罗马嘛。费曼的那套路径积分理论就是这样解释的。只有可见，“哟呵”的一声后，它们才会显现出粒子的本性。而我们这时候就根据观察到的，去揣摩光子曾经走过的一些小道消息咯。所以啊，光子这玩意儿从没走过一条固定的路线，更别谈未来能影响到昨天的那回事儿啦。啥叫延迟选择试验啊，就是给咱们一把锤子，帮我们敲开理解这个谜团的大门，让我们更好的解读光子叠加的结果罢了。