第n手報導之六：Delayed Choice

圖示為一干涉儀示意圖：

1. Beam splitter會讓50%的光穿過，50%的光反射。因此Detector 1/2都可以偵測到光，若是發射單一的光子，則各有50％的機率。
現在調整其中一條路徑長度（抵達detector 1、2的總路徑長度），使得光在該路徑發生destructive interference，則光只會百分之百抵達其中一個detector。若一次只發射一個光子，並操作很多次，情況亦同。不論用哥本哈根詮釋，或平行宇宙詮釋都可以說明這種現象。事實上這和雙狹縫干涉實驗的道理相同。

2. 右上角的半鍍銀鏡（即detector 1/2之前的半鍍銀鏡），在波的模型中扮演重要的角色，也就是使兩種相位不同的波發生干涉。在單一光子的情況下，有此銀鏡，則透過控制光子可能走的路徑長度，可控制光子到達detector 1或2的機率，也就是波的機率模型，在此模型中，單一光子必須走兩條路徑，才能發生干涉。若是此銀鏡不在，則單一光子被detector 1或2偵測的機率則為粒子模型的機率，即分光鏡(beam splitter)使單一光子走單個不同路徑的機率。

3. 現在有一裝置，可在單一光子出發後，也就是選擇走SB或RB路徑之一後，再決定要不要將半鍍銀鏡置入此系統。也就是在光子到達半鍍銀鏡位置之前，半鍍銀鏡才決定要不要參與這個系統。在傳統思維中，這必意味著單一光子已經行走了某一路徑，而後銀鏡才出現，在這種情況中，detector 1/2偵測到光子的機率，將不會是波的機率模型。

4. 實驗結果：仍然會出現波的機率模型，這意味著，光子可以改變過去的行為。這是傳統的時間思維。有任何其他方法可以解釋此事？

5. 古典的想法: 光子分裂成兩個, 分別走兩條路, 如此方能形成干涉。但光子又怎可分開? 這顯然矛盾。如果光子不能分開, 則可用「隱變量」來說明，但隱變量一直找不到。

6. 半鍍銀鏡不在之時，光子表現的像粒子。有沒有可能其實光子仍然是波，只是此時波的行為結果和粒子相同，且由隱變數影響?

P.S.
Charles Addams Skier Thought Experiment (from New York Times): http://graphics8.nytimes.com/images/2006/12/03/books/YAGO600SPAN.jpg

第n手報導之五：Mach-Zehnder Interferometer

圖示為一干涉儀示意圖：

1. Beam splitter會讓50%的光穿過，50%的光反射。因此Detector 1/2都可以偵測到光，若是發射單一的光子，則各有50％的機率。
現在調整其中一條路徑長度（抵達detector 1、2的總路徑長度），使得光在該路徑發生destructive interference，則光只會百分之百抵達其中一個detector。若一次只發射一個光子，並操作很多次，情況亦同。不論用哥本哈根詮釋，或平行宇宙詮釋都可以說明這種現象。事實上這和雙狹縫干涉實驗的道理相同。

2. Elitzur–Vaidman bomb tester, 如圖所示。

若是在發生destructive interference的路徑上放炸彈，則原本無法偵測到光／光子的detector，現在又可以偵測成功了。同樣的，用哥本哈根詮釋，或平行宇宙詮釋都可以說明。只是引爆的機率是1/2。

3. 圖示為改良版的炸彈偵測器，提出人之一是Anton Zeilinger。

圖中的偵測器，若在沒有炸彈時，其偏振角度會被polarization rotator改變角度，例如1度。而分光器會讓光的垂直分量通過、水平分量反射。合成之後將使光的偏振角度維持原本的偏振角度。

若有炸彈時，則因其中一條分光路徑不再作用，故合成之後將使光的偏振角度變為垂直。如果polarization rotator只會改變1度，則光走「有炸彈」的路徑之機率將大為降低，引爆之機率亦大大降低。

故利用此裝備則可偵測炸彈是否存在（若有，則偏振為垂直）而不必真的和炸彈有交互作用（但仍有極低的風險會引爆）。

第n手報導之四，量子物理的詮釋

哥本哈根詮釋

1. 基本現象: 多次發射單個光子進行雙狹縫實驗, 發現最後光子的分布有明暗帶的現象, 同發射光束形成的干涉條紋。已不是傳統粒子多次隨機的樣貌。
2. 為了找出原因, 在狹縫上裝偵測器。此時干涉即消失，現象如同傳統粒子的隨機分布情形。
3. 而哥本哈根詮釋認為，粒子除非同時通過兩個狹縫（或其他未知狀態，但非已知的確定粒子狀態），否則不會形成干涉。也就是在「測量」前，粒子的形態未決定（注意，不是「不知道」）而處於「疊加」狀態。在我們意圖去測量後，則波函式崩塌，以粒子的古典樣貌出現。
4. 所以推論到極致，才會有半死半活、不死不活的薛丁格的貓出現。
5. 問題: 無法描述波函數崩塌的「過程」、無法說明微觀和巨觀之間發生了什麼事。

測量在哥本哈根詮釋的角色：測量裝置理論上也應處在量子的疊加狀態，整個系統的其他部份也一樣。直到系統中的某部份發生了塴塌，整個系統才會出現某特徵，而該塴塌是觀察者造成的。

『涉及電子的一個典型的量子計算是計算原子激發態的壽命。如果我們知道原子在t1時刻被激發，則量子力學使我們能計算出原子在稍後t2時刻不再處於激發態的機率。因此，量子力學為我們提供了關聯兩次觀察(一次在t1時刻，另一次在t2時刻)的計算法則。在這裏，所謂「原子」是作為一種模型出現的，它使這個計算法則能預見到一種具體結果。在原子衰變過程中，我們實際上從未對它作直接觀察。對於它，我們所知道的一切都來自對其在t1和t2時刻的能量狀況的觀察。顯然，除非是必須獲得滿意的實際觀察結果，我們沒有必要就原子假設更多的東西。由於 「原子」概念從來就是只在對它進行觀察時才會碰到，所以，人們可以辯稱：物理學家需要關注只是觀察結果間的客觀的關聯，而這種客觀性，並非只有原子視為「實際存在」的獨立體系才能獲得。換句話說，「原子」只不過是談論一組連結不同觀察結果的數學關係的簡便方法而已。』[1]

平行世界詮釋

1. 基本現象: 多次發射單個光子進行雙狹縫實驗, 發現最後光子的分布有明暗帶的現象, 同發射光束形成的干涉條紋。已不是傳統粒子機率累加的樣貌。
2. 為了找出原因, 在狹縫上裝偵測器。此時干涉即消失，現象如同傳統粒子的分布情形。
3. 而平行世界詮釋認為，粒子仍同時走兩個狹縫（探索所有的可能性），此時世界仍是一個、尚未分為二個[2]。但也有另一種說法認為此時已分為兩個世界，直到干涉發生時又同合為一個世界[3]。
4. 而在此「裝偵測器以測量」光走哪一個路徑，則代表「去同調」(de-coherence，去相干：與大環境發生隨機的交互作用)，所以干涉不再發生，粒子的行為即維持粒子的古典狀態，世界也自此分為多個（視機率的可能分佈而定）。
5. 問題: 波函數無限增長。解答: 系統會持續受到有高共同機率(co-probability)模式影響，而使不一致的模式間的影響愈來愈弱。這個過程即為「去相干」(de-coherence，去同調)。(Dieter Zeh有相關論文)
6. 問題: 平行宇宙? 答: 改變世界觀。

基本上，只要計算結果正確，詮釋的方法再不相同都沒關係，可以符合實驗並自圓其說即可。

歸納兩種詮譯：必須要有「干涉」，才會有「干涉」條紋。干涉要發生，則必須要有來自兩個狹縫的波或似波物。在此必要有「兩個以上的波或似波物」或者「兩個以上且可以彼此干涉的宇宙」才能滿足這個要件。而在發生古典粒子現象時，一者的說法是波函數的崩塌，另一者的說法則是發生去同調，卻留下千千萬萬的宇宙給我們。



註1. 原子中的幽靈, p53
註2. 另一種說法則認為粒子在一個世界只走一條路，但多個世界的粒子「們」彼此干涉。這種說法遭到物理學家Chad Orzel糾正[4]，他認為每進行一次測量，宇宙才會產生分支。
『...當我們改用單一光子與波函數的量子語言來描述干涉儀時，我們說光子波函數遇到第一個分光器時會分成兩個部份。若是採用流行的多重世界觀點，可能會使人們認為這也是宇宙一分為二的時刻，因為這是第一次獲得波函數第二個分支的時刻。
這真的很誘人，但卻是錯誤的，此刻波函數有兩個分支，但並不是「分開的宇宙」。因為當兩個分支在第二個分光器會合時，可以見到干涉。....要讓波函數的兩個部分變成兩個單獨的宇宙，需要破壞同調。沒有同調之後。波函數的兩個部分將不會干涉，我們便看不見干涉圖案。』
註3. 但在《沒有人懂量子力學》中，David Deutsch說明以Everett的學說來看雙狹縫干涉實驗：『...對此，埃弗雷特這 樣解釋:似波運動的觀察結果告訴我們，在前一時刻，存在有兩組宇宙,在一組宇宙中光子穿過一條縫；在另一組宇宙中，光子穿過另一條縫。但後來，這些光子在同一地方出現，此後，所有 宇宙又歸於全同了。』[5]

註4. 跟著狗狗學物理, p88-89
註5. 沒有人懂量子力學, p130

第n手報導之三，光的非定域性及糾結

　　光子是電磁波的一種，是電場、磁場的橫波。即行進方向和電場、磁場的振蕩方向是垂直的。由於電場和磁場振蕩的方向相互垂直，所以光無法穿過兩個相互垂直的偏振器。但偶爾會穿過一個偏振器。

　　那麼詭異之處在哪呢？如果向兩個相反方向同時發射一個光子，射向兩個不同的偏振器，這時就會偶爾在一邊測到有光子通過。但如果剛好兩個偏振器相互平行，就會發生怪事─兩個不同方向的光子，不是同時都會通過偏振器，就是同時都不通過。並未發生一邊通過、而另一邊未通過的情況。

　　這個現象稱作「非定域性」，此時這兩個光子被稱作「糾結」在一起。相對的，定域性的涵意為─在這邊所做的觀察，和遠方的另一邊無關。考慮三個以上的光粒子，會有更複雜的情況出現。三個粒子的情況，可以參考Borromean rings。

　　另外，尋找隱變數，目前未成功。

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第n＋1手 心得
Q1：一個光粒子的電磁波，是什麼意思？如果一個光粒子可以是電磁波，那麼單個光粒子的雙狹縫干涉實驗，就很正常了。但是反過來想，何以做雙狹縫實験時，單個光粒子會以波的狀態出現，而單狹縫時會以粒子狀態出現呢？
Q2：愛因斯坦說，任何「因」最快只能以光速傳播。目前未被推翻。
Q3：雙胞胎有時出現的感應，是否可能是糾結的一種？但目前無法做有系統的研究，所以上不了擡面。
Ｑ4：如果光即是波又是粒子，那麼如何能確定｢發射一個光子｣呢？
Ｑ5：如果光即是波又是粒子，那麼一個電或磁場被遮蔽的電磁波又是什麼？

第n手報導之二，波粒二象性

問題：一種現象是波又是粒子的問題在哪裏？以雙狹縫干涉實驗為例，

如果是粒子，則一次只能通過一個狹縫，無法一次通過兩個狹縫。（這是「常理」）

如果是波，則可能兩個狹縫都通過，而其成像可能為深淺相間的干涉條紋。

參考wiki: http://zh.wikipedia.org/zh-tw/波粒二象性

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現代物理的實驗，已經有方法可以一次射出一個光子來做雙狹縫干涉實驗。問題來了，在許多光子分別且分時通過雙狹縫後，為何最後成像為深淺相間的干涉條紋呢？也就是說，有些地方會呈現暗紋。為何就是沒有單獨的光子會在該處成像？

除了光子外，其他粒子是否也有相同現象？是的。所測試過的粒子約在數千之譜。於是科學家料想所有粒子都有此一現象。（這是「歸納」邏輯）

只要系統夠大、條件夠完整，科學家料想波粒二象性是普遍的。

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第n+1手 心得

Q1: 這和德布羅依的物質波一樣嗎？（2013/11/29）是的。

Q2: 射出去後的粒子，除了成像為明暗條紋外？是否還有什麼剩下來了？（2013/11/29）暗部表示粒子未到達該處，因為自身干涉。亮部則是粒子到達該處而感光。

Q3: 這個令人震驚的現象又如何影響日常概念？（2013/11/29）顯示人類可能被種種預先的假設、概念性的思考及意識限制。典型的例子如「量子穿隧」在古典的想法是不可能出現的。又如粒子本身的性質同時通過兩個狹縫而自身干涉，顯示我們對粒子的堅實概念需要修正。

第n手報導之一，量子物理的客觀隨機性

*若內文存有謬誤，盼能不吝指出，以資更正，此乃本文立意之一。

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1. 相對於客觀隨機性，有所謂的主觀隨機性。意思是，你可以經由一連串的推理得知在貎似隨機的事件中，其實是有一個起因的，只要起因改變，結果也跟著變。也就是這個｢隨機事件｣其實是非隨機的。例如擲出一個骰子，得到某一個點數。你也可以想像一個高手可以擲出任意他想要的點數。

　　2. 量子物理中的客觀隨機性，主要源自光的單/雙狹縫實驗產生的隨機結果。就單一的實驗而言，光子會落在哪一個位置，是完全隨機的，沒有規律可言。無法上溯任何｢起因｣。如果收集很多光子的實驗，則可看出波動圖畫。


(2013/11/29 補充)
　　3. 這裏的主觀隨機性，可說是我們「不知道」、無法「取得資訊」或是有更深層的因「存在」。而客觀隨機性，是指量子的疊加狀態，即使是在更細微的層次，也找不到「因」。也就是說，在我們觀測之前，其狀態都是未決定的，而不是一個已出現的狀態而我們「不知道」。但詭弔的是，收集很多「隨機」（疊加）光子的結果，卻又出現了一個整體圖像－某種規則。

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第n+1手 心得

　　為何這個觀念很重要? 只因這個異於古典的看法，可以顛覆我們的宇宙觀。

　　A. 古典的世界 - 基本上可以看做是機械化的世界。試想我們在分析一個事件時，通常都用抽絲剝繭的方式，希望可以在其中找到因果關係及所謂來龍去脈。又例如說，因為有淨力，所以物體才有加速度、有了作用力，才有反作用力。再例如說20世紀的西方醫學，把人體分割成各種器官，料想是器官之間的機械式合作，而有各種功能。

　　A.1 綜上所言，顯示目前多數人的宇宙觀，可能都屬於機械式的宇宙觀，也就是可以拆解為各個小部份，而彼此互為因果而產生種種現象。

　　A.2 其中涉及｢理性｣推論的部份，背後代表的就是大家習知的因果法則。

　　B. 如果這個世界是純然隨機的，那麼會是怎樣的世界?

　　B.1 甲出現後，乙就跟著出現，但甲/乙之間沒有因果關係。只是純然有系統地、一致地伴隨出現。(規則及關係，都只存在於有意識者的定義及意識之中)

　　B.2 沒有因果法則，也沒有理性不理性，亦不存在任何有意義的推論，而推論本身只是系統性的明白甲出現會伴隨乙出現，其間無任何關係。規則（或法則）僅存在有意識者的抽象理解之中。歸納及演譯，未必有用。

　　如果世界真的像B一樣，討論範圍會愈來愈大，包括老莊哲學、語言哲學、甚至高等的邏輯．．．。所以至今對這種現象的詮釋仍未有定論，似乎是顯而易見的。