自制量子橡皮擦.ppt

1、,自制量子橡皮擦,QM shocks our common-sense,我们的常识，被量子力学颠覆了。 矛盾的事情可以共存一个物体可以在同一时刻沿两条不同的路径运动； 物体不能同时拥有精确的位置和速度； 我们观察到的事物的性质遵从着无法根除的随机性； 我们作为观察者，我们的观察活动却影响了观察对象的性质 。,Do the mystical things are far away from us?,是否量子现象只在微观系统才明显？ 是否只有实验室中你才能用特殊的方法观察到它们？ 或者只能在电视上的科学节目中看到它们？ the answer here is NO! 接下来这个实验，我们可以用很简单

2、的方法完成，却涉及量子力学最怪异的特性之一略施小技我们就能改变过去已经发生的事件即所谓的量子擦除效应,Before the experiment:,有一点在实验开始前要事先说明： 如果你成功地完成了这个实验，你将会看到干涉图样，这种图样可以用光的经典波动理论来解释。似乎这里面没有量子力学。然而，其实是每个光子确实按照量子规律在运动，不过要证明这一点，你需要一个一次只发送一个光子的实验装置，并逐个对它们进行探测。 如果手边没有这样的装置，请你一边观察干涉图样，一边想象它对应于单个光子的情形，去领略量子世界的神奇。,Lets begin our experiment right now!,实验装置

3、： 偏振片：灰白色的高质量（实验级）偏振膜能取得最佳效果。不要用有颜色的偏振片。把偏振片或偏振膜切割成6个方块，每块边长约5厘米。 激光源：在它前面加一偏振片，使它发出的偏振光与竖直成45度夹角。 一根细而直的金属丝。 一些锡纸，一根用来在上面轧孔的大头针。光束穿过锡纸上的针孔后，会扩散成一束窄圆锥光束。使用针孔会使干涉图样变暗，但效果会更好。 一些架子，用来固定实验仪器。 一个接收屏，可用墙面或白纸。,实验过程,第一步: 看到干涉 金属丝放在激光器前面,将在屏上出现干涉条纹. 解释: 金属丝左边经过的光和右边经过的光合在一起,发生了干涉.,量子解释: 因为无论光从左边或是右边经过,我们都无法

4、得知,于是光子是从左边和右边一起通过的.,实验过程,第二步: 标出路径 拿两块偏振膜,旋转其中一块,让两个偏光轴相垂直.用胶带将两片膜粘在一起,不要留下空隙,也不要重叠.沿着上边缘和下边缘粘胶带,以防胶带挡住光束.这就是我们的路径标志器. 把金属丝粘在两块膜相连的地方. 我们将左手边偏光膜的偏光轴方向称为竖直方向,标记为V;右手边偏光膜的方向称为水平方向,标记为H;(这只是为了标记方便,并非实际的偏振方向),量子解释: 如果光从左边经过,则偏振方向是V;如果光从右边经过,则偏振方向是H. 这时，标志器使光子携带了自己的路径信息，所以光子不在从两边过了，而是每个光子都有一个固定的路径：或左或右。

5、 并且，即使你不探测，即不去读取它的路径信息，干涉条纹也会消失。,看到现象: 干涉条纹消失了.,实验过程,第三步： 选出经过左边的光子 将第三块偏光膜（我们称之为“分析器”）放在标志器和屏幕之间，并将它的偏光轴旋转至V偏振方向。 分析器会挡住所有从右边经过的光子，而让左边经过的光子通过。 实验现象：屏幕图像与上一步几乎一样只是右侧更暗更小一些。其实这些光完全是左侧的光瓣扩展而成的。,第四步： 选出经过右边的光子 将分析器偏光轴转至H方向。 分析器会挡住所有从左边经过的光子，而让右边经过的光子通过。 实验现象：屏幕图像与上一步几乎一样只是左侧更暗更小一些。其实这些光完全是右侧的光瓣扩展而成的。,

6、光强之和等于第二步的光强,选出左边的光子：,选出右边的光子：,实验过程,第五步：擦除路径信息。 将一块偏光膜的偏光轴方向顺时针旋转45度，我们称这个方向为对角方向，记为D。 实验现象： 干涉条纹再次出现了！,量子解释： 偏光膜抹去了每个光子所经路径的信息。现在每个从左边经过的V光子有50%的几率穿过偏光膜到达屏幕，右边的H光子也一样。两种情形下，到达屏幕的光子都变成了D偏振，因此无法分辨每个光子是从哪边经过的。于是，每个光子又似乎同时从两边经过，与自身发生了干涉。,实验过程,第六步：反向量子橡皮擦 将偏光膜的偏光轴从V方向逆时针旋转45度，我们称为反对角方向，标记为A。 实验现象： 干涉条纹再

7、次出现，不过与上步相比，位置好像略微错开了一点。A偏振橡皮擦产生的干涉图样中的亮纹，恰好是D偏振橡皮擦产生干涉图样中的暗纹。,第七步： 同时使用两种橡皮擦 将D偏光膜和A偏光膜都沿水平对角线方向剪开。 把D的上半部分和A的下半部分合在一起。 把混合橡皮擦放在光路中。 实验现象： D偏振橡皮擦对应的干涉条纹出现在光斑的上半部分，而A偏振橡皮擦的相应条文出现在下半部分。干涉图样看起来就像是没有对齐的牙齿。,擦除路径信息,反向擦除路径信息,同时使用两种橡皮擦,实验结论：,1.在第二、三、四步中，没有干涉发生，每个光子都从金属丝的一边或是另一边经过；而在其它步骤中，光子看起来是同时从两边经过的。 2.

8、光子在经过金属丝后遇到的装置（分析器，橡皮擦或者只是一块屏幕），似乎决定了光子先前到底从金属丝的两边同时经过，还是只从其中一边经过。 3.从第六、七步表明，有关光子的路径信息，可以有不止一种的擦除方式。,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,先来看几个概念： 量子叠加（superposition）： 条件：只有当每个粒子都能从双缝中的任意一条通过，同时又无法确定它从哪条缝通过时，干涉条纹才会出现。 即，当几种不可区分的可能性以某种方式结合在一起时，这种情形就被称为量子叠加。,Give the experiment an explanati

9、on:量子橡皮擦擦去了什么？,该实验中，破坏了量子叠加条件中的不可区分性。 对于这种破坏，观测与否并不重要，重要的是给予了每个粒子所走过的不同路径以不同的信息，这些信息可以（并不一定是必须）通过某种方式被观测到。,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,量子橡皮： 擦去指示粒子经过哪条路径的信息，即可使上述破坏的条件被恢复。 注意： 并不是开始就不再加入这个信息，而是本来有信息，而后来又擦除了。,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,量子橡皮的例子： 譬如我们可以根据海森堡的不确定原理

10、确定光子的动量信息，则位置信息将被擦除。,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,进一步思考这个实验的擦除过程： 粒子到底是从一条还是两条狭缝中穿过？ 我们在它穿过狭缝之后，对它所散射的光子做了什么？ 看起来，我们对光子的测量，似乎影响了过去发生的事件。,取决于,即，我们,既可确定粒子经过哪条狭缝,也可用量子橡皮擦将此信息从这个世界上抹去,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,延迟选择实验： 看似奇怪的是，我们可以在粒子经过狭缝之后，再决定进行那种测量。 自相矛盾的推理？ 即，我们可以先形成图样，再决定怎样探测，这样难道可以通过探测改变已经形成的图样吗？,Give the experiment an explanation:量子橡皮擦擦去了什么？,怎样解决这个矛盾？ - 事实上，要想使用量子橡皮擦，有一个技术细节是不能忽略的：我们必须先把这些粒子分成两组，分别对它们进行观察。其中一组会形成原先的干涉图样，另一组则会形成与之相反的图样。 只有关注的测量数据，才能告诉我们到底那一个粒子属于哪一组。 因此，在我们没有作出选择，没有完成光子的测量之前，是不可能观察到