延迟选择实验得到的结果,和当我们由看缝隙本身选择去注意(或不注意)哪条路径的信息而得到的结果一样。但是在这个情形下,每个粒子采取的路径——即它的过去——是在它通过缝隙之后很久才确定的,而假定粒子在此前就应“决定”,它是否只穿过一道缝隙不产生干涉,或者穿过两道缝隙产生干涉。
惠勒甚至考虑该实验的一个宇宙学版本,涉及的粒子是从几十亿光年外的强大的类星体发射出来的光子。处于类星体和地球之间的星系的引力透镜效应可把这种光分成两条光路并朝地球重新聚焦。尽管当代技术做不了这个实验,如果我们能从这光中收集到足够的光子,它们应能形成干涉条纹。但如果我们在检测之前不久用一个装置去测量不管哪条路径信息,那个条纹就应消失。在这种情形下,走一条或双条路径的选择应在几十亿年前,也即在地球甚至我们的太阳形成之前,就应该已经被做出了,然而我们在实验室的观测却可以影响那个选择。
在本章中,我们利用双缝实验阐述量子原理。以下,我们将量子力学的费恩曼表述应用到宇宙整体。我们将会看到,宇宙正如粒子一样,不仅有一个单独的历史,而是具有每一可能的历史,每个历史具有自身的概率;而且我们对其现状的观测影响它的过去并确定宇宙的不同历史,正如同在双缝实验中观察粒子影响到粒子的过去。这个分析将指出,我们宇宙中的自然定律如何由大爆炸呈现。但是,在我们考察定律如何呈现之前,我们将稍涉及那些定律是什么,以及它们引起的某些奥秘。
我们迄今为止讨论了在双缝实验背景下的费恩曼观念。在该实验中粒子被射向带有缝隙的墙,我们在置于墙后的屏幕上测量粒子结束行程的位置。更一般地说,和仅仅一个单独粒子相反,费恩曼理论允许我们预言一个“系统”的可能的结果,该系统可以是一个粒子,一组粒子,或者甚至整个宇宙。在系统的初始态和我们对它性质的后来的测量之间,那些性质以某种方式演化,物理学家将其称为系统的历史,例如,在双缝实验中,粒子的历史就是它的路径。正如对于双缝实验,观察粒子到达任何给定的点的机会依赖于所有能把它弄到那里的所有路径,费恩曼指出,对于一个一般系统,任何观察的概率是由所有可能将其导致那个视察的历史构成。正因为如此他的方法被称作量子物理“历史求和”或者“另外历史”表述。
既然我们已经了解了费恩曼的量子物理方法,现在该来研究我们将来要用的另一关键的量子原理——观测系统必然改变其过程的原理。我们难道不能小心地看着而不去干预吗,正如我们当导师在她的下颌上有点芥末时那么做的?不能。根据量子物理,你不能“只”观察某物。也就是说,量子物理承认,进行一次观测,你必须和你正观测的对象相互作用。例如,在传统意义上去看一个物体,我们就把光照在它上面。把光照在南瓜上当然对它只有微小效应。但是甚至将一道微弱的光照射到极小的量子粒子——即把光子打到它上——的确会有可觉察的效应,而且实际表明它正好以量子物理描述的方式改变实验结果。
正如以前那样,假定我们在双缝实验中对障碍发出一束粒子,并且在首批百万个粒子通过时收集数据。我们画出粒子到达不同的检测点的数目时,这数据会形成在第65页画出的干涉条纹,而且是在我们将与从粒子的出发点A到其检测点B的所有可能路径相关的相迭加起来,我们会发现我们计算的在不同点到达的概率和那个数据一致。
现在假定我们重复实验,这回把光照到缝隙上,这样我们知道粒子通过的居间的点C。(C是两缝隙中的任一道的位置)因为它告诉我们每个粒子是从A通过缝隙一到达B呢,还是从A通过缝隙二到达B,所以这叫做“哪条路径”信息。由于我们现在知道每个粒子通过哪条缝隙,在我们为该粒子求和中的路径现在只包含那些或通过缝隙一的途径,或通过缝隙二的途径。它将永不同时把通过缝隙一的路径和通过缝隙二的途径包括进去。因为费恩曼是这样解释干涉条纹的,他说通过一条缝隙的路径与通过另一条的路径干涉,因此如果你开灯确定粒子通过哪条缝隙,由此消除了其它的选择自由,你就会使干涉条纹消失。的确,当实验在进行时,开灯使结果从第65页上的干涉条纹变成像第64页上的条纹!此外,我们能够利用非常弱的光去变更实验,使得并非所有粒子都和光相互作用。在那种情形下,我们只对粒子的某一子集得到其走哪条路径的信息。那么,如果我们根据我们是否得到哪条路径信息而把粒子到达的数据分开,我们发现关于我们没有哪条路径信息的子集的数据将形成干涉条纹,而关于我们拥有哪条路径的信息的子集的数据将不显示干涉。
这个观念对我们“过去”的概念有重要的含义。在牛顿理论中,过去被假定是作为明确的事件系列而存在。如果你看到去年在意大利买的花瓶摔碎在地上,而你的学步小童羞怯地站立于旁,你可回溯导致灾祸的事件:小小指头松开,花瓶落下并撞在地上粉碎成千百片。事实上,给定关于此刻的完全数据,牛顿定律允许人们计算出过去的完整图像。这和我们直观理解是一致的,不管痛苦还是快乐,世界有一明确的过去。也许从未有人看到过,但是过去存在之确实犹如你为它拍了一系列快照。然而,不能说量子巴基球从源到屏幕飞过了确定的路径。我们可以因观测巴基球而确定它的位置,但在我们观测的间隙,它飞过所有的路径。量子物理告诉我们,不管我们现在多么彻底地进行观测,(不被观测的)过去,正如将来一样是不确定的,只能作为可能性的谱而存在。根据量子物理,宇宙并没有一个单独的过去,或者单独的历史。
过去没有确定的形状,这一事实意味着你现在对一个系统进行的观测影响它的过去。物理学家约翰惠勒想出一种称作延迟选择的一类实验,该实验相当出人意外地使上面的观点引起注意。概括地讲,延迟选择实验就象我们刚刚描述的双缝实验,除了在那里你有观测粒子走过的路径的选择自由,而在延迟选择实验中,你把决定是否去观测路径推迟到粒子打到检测屏幕前的那一瞬间再做。