马赫–曾德尔:把「哪条路」问得更干净
干涉仪里放一个探测器,条纹就消失
一束光进入一个盒子,出口有两个。正常情况下第一个出口亮,第二个全黑——光像整块穿了过去,没在中间分岔。在一条臂上插一片半波片,两个出口立刻各出一半。同一台仪器,只多一片玻璃,光的方向就换了样子。
两个分束器,两面镜子
马赫–曾德尔干涉仪只有四件东西:两片 50/50 分束器、两面镜子。第一片把光分成两路,镜子把两路折回来,第二片让它们重新相遇。两条路等长时,振幅同相,全部从一个出口出去,另一个是黑的。
出口只认一件事:两条路的相位差。挪一面镜子,或在一条臂上插片玻璃,分配就连续变化:一个出口变亮,另一个相应变暗,可以完全对调。这里的「条纹」是出口计数随相位差的变化,不是屏上的明暗带。
下面先用双缝的图看结构,两者的数学是同一套。
哪条路探测器
开关关着,屏上堆出条纹;打开,散成均匀一片。关着时一个出口亮、一个全黑,打开后各一半。
标记路径,条纹就没有了
在一条臂上放探测器,或者更轻一点——插半波片把这条臂的偏振转 90°,两条路就带上不同的偏振,原则上能分辨。光没被挡住,也没被撞歪,可出口不再一亮一黑,而是各一半。交叉项消失了。
同一个开关在双缝里叫「哪条路探测器」,这里只是换个位置。要紧的不是响没响,而是路径信息有没有留在世界上:探测器只装在一条臂上、一次都没响,也等于宣布光子走了另一条。
干涉仪问得更干净,是因为两条路在空间上彻底分开,可以只碰其中一条。双缝的两条路挨得太近,想标记一条,很难不碰另一条。单个光子也照做:它一次只从一个出口出来,攒够多次才看得出比例。
半波片只是转了偏振,没挡光也没撞光子,出口应该还是一个亮一个黑。
转了偏振就等于给路径贴了标签:两条路偏振不同,原则上可以分辨,交叉项归零,出口变成各一半。
这里的「影响」是信息上的可区分,不是力学上的推力;挡不挡光与它无关。
一句话结论
马赫–曾德尔把双缝的「哪条路」拆开重装:两条路在空间上分开,第二片分束器让它们重新相遇,出口的亮暗只由相位差决定。一旦在一条臂上留下标记——哪怕只是一片半波片——两条路变得可区分,条纹当场消失。干涉要的不是「光子走两条路」,而是「两条路无法被区分」。
本节自测 · 3 题
未作答
01在一条臂上插一片玻璃,只改变光程,不改变偏振。两个出口的分配会怎样?
解析 · 只改光程时没有引入任何路径标记,两条路仍不可区分,振幅照常相加:同相时全部去一个出口,反相时全部去另一个,中间连续过渡。A 是路径被标记之后的样子;C 与能量守恒冲突,光没有被吸收;D 说的正是等长时的特例,换一个光程就不成立。
02探测器只装在下面那条臂上,一轮下来它一次都没有响。这算不算「知道路径」?
解析 · 沉默也是记录:只要装置保证走这条臂的光子一定会触发它,没响就等于宣布光子走了另一条。A 与 C 都把「有信号」当成唯一的信息形式;D 混淆了出口结果与路径信息,出口是被干涉决定的,读了它反而看不到路径。
03为什么说这个实验把双缝的「哪条路」问得更干净?
解析 · MZ 把两条路拆成空间上分开的两段,想标记哪条就只碰哪条,另一条完全不受影响。A 把结构上的优势说成了精度优势,真正的好处不是测得更准;B 与路径问题无关,单光子双缝一样有干涉;D 编造了镜子的作用,镜子只改变方向。