哪条路:知道了就没有条纹
路径信息一旦可获取,干涉就消失
同一套双缝,只在挡板后加一台能记录「光子走了哪条缝」的探测器,屏上的条纹立刻消失,换成一片均匀的光。怪的是,这台探测器甚至不必把结果送到你眼前——它只需要能够知道。
多出来的那个开关
演示里它是一个开关。关着的时候,读数写着条纹可见度 96%,落点堆出一条条亮纹;打开,可见度掉到 0%,落点铺成均匀的一片。中间没有渐渐模糊的过渡,关掉开关,条纹原样回来。
如果探测器只是把光子撞歪了一点,那撞得越轻,留下的条纹就该越多。可做不到「轻到不留信息,又保留条纹」:只要路径信息进了世界,条纹就没了。这不是仪器不够精细,是结构如此。
先让它跑出几百个点,再打开开关。
哪条路探测器
留意两件事:打开之后落点并没有聚到某一条缝后面,只是变均匀了;而均匀,正是两条路径各自独立时的分布。
相干性要的是不可区分
两条路径的振幅相加,把模平方展开,有三项:
前两项分别是「走了这条」和「走了那条」的概率,最后一项是交叉项,条纹的全部来源。交叉项在问一个几何问题:两个振幅的角度差是多少。只要两条路径在原理上可以区分,这个问题就没有答案,交叉项归零,概率退化成两项相加。
措辞值得抠一下:不是探测器撞了光子、把它撞糊涂了,而是路径信息变得可获取,两条路径不再不可区分。哪怕记录只是躺在存储里,甚至泄漏到环境里,从未被读取,效果一样。相位信息泄漏到环境的过程叫 退相干,它是量子计算最日常的敌人。
一句话版本是互补性原理:路径信息的可获取程度与条纹的可见度此消彼长,两者不能同时拉满。
惠勒的延迟选择实验把「要不要知道路径」推到光子已经过缝之后,结论不变:要紧的不是何时决定,而是路径信息最后有没有留在世界上。
探测器把光子撞了一下,撞得它不记得自己是从哪条缝过来的。
即使扰动小到测不出来,只要路径信息变得可获取,干涉就不出现;被破坏的不是光子的记忆,是两条路径的不可区分性。
把互补性讲成「测量会扰动」,听着合理,却漏掉了更硬的一半:信息一旦可被获取,叠加就失去意义,不管有没有人去看。
一句话结论
知道了路径,就没有条纹;想让条纹回来,就得让路径信息从世界上彻底消失。测量不是偷看,它会在世界里留下记录,而记录本身就会改写后面所有落点的概率。
本节自测 · 3 题
未作答
01探测器记下了光子走哪条缝,随后你把记录删掉,也从没看过。条纹会回来吗?
解析 · 有没有人去看不影响结果,关键是路径信息是否原则上可获取;删掉存储不等于撤销已经发生的物理关联。量子擦除确实能让条纹恢复,但那要求在信息扩散之前把路径标记相干地抹掉,不是事后删文件。C 编造了一段恢复时间;D 编造了一半一半的行为,实际只有「全有」或「全无」。
02打开「哪条路探测器」之后,屏上的落点分布变成什么样?
解析 · 路径可区分之后,交叉项消失,只剩两条路径各自独立的概率相加,所以是均匀的一片。A 与缝间距有关,跟路径信息无关;B 是「被打扰了所以变模糊」的直觉,实际是条纹整个消失;D 既不是均匀分布,也不是单缝的形状。
03关于互补性,下面哪一句最准确?
解析 · 互补性说的是同一套装置里两种信息之间的权衡,不是精度问题。A 把它当成工程瓶颈;C 把它读成逻辑矛盾,其实两者从不同时出现,谈不上冲突;D 与事实相反,电子、原子、分子都做得出双缝干涉。