Мысленные эксперименты Уиллера с задержкой выбора

Введение

Количество мысленных экспериментов в квантовой физике

Эксперимент с запаздывающим выбором Уилера описывает семейство мысленных экспериментов в квантовой физике, предложенных Джоном Арчибальдом Уилером, наиболее известные из которых были опубликованы в 1978 и 1984 годах. Эти эксперименты представляют собой попытки выяснить, "чувствует" ли свет экспериментальную установку в эксперименте с двумя щелями, через которую он проходит, корректируя свое поведение, чтобы соответствовать ей, принимая определенное состояние, или же свет остается в неопределенном состоянии, проявляя как волновые, так и корпускулярные свойства до момента измерения. Общая цель этих различных типов экспериментов состоит в том, чтобы сначала сделать что-то, что, согласно некоторым моделям со скрытыми переменными, заставило бы каждый фотон "решить", вести себя как частица или как волна, а затем, до того как фотон достигнет детектора, внести другое изменение в систему, которое создало бы впечатление, что фотон "выбрал" вести себя противоположным образом. Некоторые интерпретаторы этих экспериментов утверждают, что фотон является либо волной, либо частицей, но не может быть одновременно и тем, и другим. Намерением Уилера было исследовать временные условия, при которых фотон совершает этот переход между предполагаемыми состояниями. Его работа привела к проведению множества показательных экспериментов. Реализация этой экспериментальной линии оказалась очень сложной на начальном этапе. Тем не менее, со временем она оказалась весьма ценной, поскольку позволила исследователям представить "все более сложные демонстрации волново-корпускулярного дуализма отдельных квантов". Как объясняет один из экспериментаторов, "волновое и корпускулярное поведение могут сосуществовать одновременно".

Введение

"Эксперимент Уилера с отложенным выбором" относится к серии мысленных экспериментов в квантовой физике, первый из которых был предложен им в 1978 году. Другая заметная версия была предложена в 1983 году. Все эти эксперименты направлены на решение одних и тех же фундаментальных проблем квантовой физики. Многие из них обсуждаются в статье Уилера 1978 года "«Прошлое» и эксперимент с двойной щелью с отложенным выбором", которая была воспроизведена в «Математических основах квантовой теории» А. Р. Марлоу, стр. 9–48. Согласно принципу дополнительности, можно измерить свойства фотона, проявляющие себя как «частица» (имеющая точное местоположение) или как «волна» (имеющая частоту или амплитуду), но не одновременно. Какая характеристика измеряется, зависит от того, используют ли экспериментаторы прибор, предназначенный для наблюдения частиц, или для наблюдения волн. При строгом применении этого утверждения можно утверждать, что, определяя тип детектора, можно заставить фотон проявляться исключительно как частица или исключительно как волна. Обнаружение фотона обычно является деструктивным процессом (см. квантовое недеструктивное измерение для неразрушающих измерений). Например, фотон может быть обнаружен в результате поглощения электроном в фотоумножителе, который принимает его энергию, которая затем используется для запуска каскада событий, приводящего к «щелчку» этого прибора. В случае эксперимента с двойной щелью фотон проявляется как высоко локализованная точка в пространстве и времени на экране. Накопление фотонов на экране даёт представление о том, прошёл ли фотон через щели как волна или мог пройти как частица. Считается, что фотон распространяется как волна, если накопление приводит к типичной интерференционной картине волн (см. анимацию, демонстрирующую накопление). Однако, если одна из щелей закрыта или перед щелями размещены два ортогональных поляризатора (делающие фотоны, проходящие через разные щели, различимыми), то интерференционная картина не появится, и накопление можно объяснить как результат распространения фотона как частицы. Квантовая механика предсказывает, что фотон всегда распространяется как волна, однако это предсказание можно увидеть только при обнаружении фотона как частицы. Таким образом, возникает вопрос: может ли фотон решить распространяться как волна или как частица в зависимости от экспериментальной установки? И если да, то когда фотон решает, как ему распространяться – как волне или как частице? Предположим, что традиционный эксперимент с двойной щелью подготовлен таким образом, чтобы любую из щелей можно было закрыть. Если обе щели открыты и лазер излучает серию фотонов, то на экране быстро появится интерференционная картина. Интерференционную картину можно объяснить только как следствие волновых явлений, поэтому экспериментаторы могут заключить, что каждый фотон «решил» распространяться как волна сразу после излучения. Если доступна только одна щель, то интерференционной картины не будет, поэтому экспериментаторы могут заключить, что каждый фотон «решил» распространяться как частица сразу после излучения. Однако в любом случае фотон должен определиться со своим выбором до взаимодействия с фактической конфигурацией щелей.

"Wheeler's delayed choice experiment" refers to a series of thought experiments in quantum physics, the first being proposed by him in 1978. Another prominent version was proposed in 1983. All of these experiments try to get at the same fundamental issues in quantum physics. Many of them are discussed in Wheeler's 1978 article "The 'Past' and the 'Delayed Choice' Double Slit Experiment", which has been reproduced in A. R. Marlow's Mathematical Foundations of Quantum Theory, pp. 9–48. According to the complementarity principle, the 'particle like' (having exact location) or 'wave like' (having frequency or amplitude) properties of a photon can be measured, but not both at the same time. Which characteristic is measured depends on whether experimenters use a device intended to observe particles or to observe waves. When this statement is applied very strictly, one could argue that by determining the detector type one could force the photon to become manifest only as a particle or only as a wave. Detection of a photon is generally a destructive process (see quantum nondemolition measurement for non destructive measurements). For example, a photon can be detected as the consequences of being absorbed by an electron in a photomultiplier that accepts its energy, which is then used to trigger the cascade of events that produces a "click" from that device. In the case of the double slit experiment, a photon appears as a highly localized point in space and time on a screen. The buildup of the photons on the screen gives an indication on whether the photon must have traveled through the slits as a wave or could have traveled as a particle. The photon is said to have traveled as a wave if the buildup results in the typical interference pattern of waves (see for an animation showing the buildup). However, if one of the slits is closed, or two orthogonal polarizers are placed in front of the slits (making the photons passing through different slits distinguishable), then no interference pattern will appear, and the buildup can be explained as the result of the photon traveling as a particle. Quantum mechanics predicts that the photon always travels as a wave, however, one can only see this prediction by detecting the photon as a particle. Thus, the question arises: Could the photon decide to travel as a wave or a particle depending on the experimental setup? And if yes, when does the photon decide whether it is going to travel as a wave or as a particle? Suppose that a traditional double slit experiment is prepared so that either of the slits can be blocked. If both slits are open and a series of photons are emitted by the laser then an interference pattern will quickly emerge on the detection screen. The interference pattern can only be explained as a consequence of wave phenomena, so experimenters may conclude that each photon "decided" to travel as a wave as soon as it was emitted. If only one slit is available then there will be no interference pattern, so experimenters may conclude that each photon "decided" to travel as a particle as soon as it was emitted. Notably however, in either case the photon must commit to its decision before encountering the actual configured slit scenario.

Простой интерферометр

Один из способов исследовать вопрос о том, когда фотон решает, проявлять себя как волна или частица в эксперименте, — использовать интерферометр Маха — Цендера. Устройство изображено на рисунке справа. Если одиночный фотон испускается в входной порт устройства в левом нижнем углу, он немедленно сталкивается с разделителем луча. Из-за равных вероятностей прохождения или отражения фотон либо продолжит движение прямо, отразится от зеркала в правом нижнем углу и будет зарегистрирован детектором в верхней части устройства (обозначен синим путем), либо отразится от разделителя луча, достигнет зеркала в левом верхнем углу и попадет в детектор на правом краю устройства (красный путь). Чтобы объяснить наблюдение, что фотоны регистрируются в равном количестве в обоих детекторах, но никогда одновременно в обоих, одна из гипотез заключается в том, что каждый фотон ведет себя как частица с момента испускания до момента регистрации, проходит либо одним, либо другим путем, и его волновая природа не проявляется. Если устройство изменить, добавив второй разделитель луча в верхнем правом углу и точно настроив зеркала и разделители на одинаковое расстояние друг от друга, то фотоны из каждого пути будут рекомбинироваться во втором разделителе луча и проявлять интерференцию, всегда попадая только в детектор справа. Это объясняется тем, что в этой конфигурации фотон распространяется как волна по обоим путям. Траектория, заканчивающаяся в верхнем детекторе, объединяет маршрут, в котором волна отражается от обоих разделителей луча, с другим, в котором она проходит через оба. Это создает разницу в длине между двумя маршрутами, из-за чего волна теряет фазу и гасится (деструктивная интерференция) при выходе из второго разделителя луча в направлении верхнего детектора. Траектория к правому детектору, напротив, включает два идентичных маршрута — два отражения и два прохождения через разделители, что приводит к совпадению их фаз, в результате чего волны усиливают друг друга (конструктивная интерференция) и всегда достигают этого детектора. Важно отметить, что это происходит даже при испускании только одного фотона за раз, что означает, что фотон распространяется как волна по обоим путям и интерферирует сам с собой, как это может делать только волна. То есть, когда присутствие второго разделителя луча позволяет обоим путям достигать обоих детекторов, делая их неразличимыми, фотон проявляет волновую характеристику интерференции. В противном случае он случайно попадает в один или другой детектор, как это сделала бы частица, идущая только по одному пути; следовательно, фотон, кажется, "решает", будет ли он проходить через интерферометр как частица или как волна, в зависимости от конфигурации, с которой он столкнется в конце. Таким образом, Уилер хотел узнать, можно ли экспериментально определить момент, когда фотон принимает свое "решение". Возможно ли пропустить фотон через область первого разделителя луча, когда второго разделителя луча нет, заставляя его "решить" двигаться как частица, а затем быстро установить второй разделитель луча на его пути? Предположительно, двигаясь как частица до этого момента, пропустит ли разделитель его и проявит ли он себя как частица, как если бы второго разделителя луча не было? Или он будет вести себя так, как будто второй разделитель луча всегда был там? Проявит ли он интерференционные эффекты? И если он проявит интерференционные эффекты, значит ли это, что ему пришлось вернуться во времени и изменить свое "решение" о движении как частица на движение как волна? Следует отметить, что Уилер хотел исследовать несколько гипотез, получая объективные данные. Альберт Эйнштейн не одобрял эти возможные последствия квантовой механики. Однако, когда были разработаны эксперименты, позволявшие использовать как версию с двумя щелями, так и интерферометрическую версию эксперимента, было окончательно доказано, что фотон, который начинает свою жизнь в экспериментальной конфигурации, требующей проявления его корпускулярной природы, но заканчивается в экспериментальной конфигурации, требующей проявления его волновой природы, всегда будет проявлять свои волновые характеристики, интерферируя сам с собой. Аналогично, если эксперимент начался со второго разделителя луча, а затем он был удален во время полета фотона, то фотон неизбежно попадет в один из детекторов без каких-либо признаков интерференции. Таким образом, присутствие или отсутствие второго разделителя луча всегда определяет, проявится ли он как "волна или частица". Многие экспериментаторы пришли к интерпретации экспериментальных результатов, согласно которой изменение конечных условий ретроспективно определяет, что "решил" фотон, входя в первый разделитель луча. Как упоминалось выше, Уилер отверг эту интерпретацию.

One way to investigate the question of when a photon decides whether to act as a wave or a particle in an experiment is to use a Mach–Zehnder interferometer. The apparatus is depicted in the image to the right. If a single photon is emitted into the entry port of the apparatus at the lower left corner, it immediately encounters a beam splitter. Because of the equal probabilities for transmission or reflection the photon will either continue straight ahead, be reflected by the mirror at the lower right corner, and be detected by the detector at the top of the apparatus (indicated by the blue path), or it will be reflected by the beam splitter, strike the mirror in the upper left corner, and emerge into the detector at the right edge of the apparatus (red path). To explain the observation that photons show up in equal numbers at the two detectors, but never at both at a time, one hypothesis says that each photon has behaved as a particle from the time of its emission to the time of its detection, has traveled by either one path or the other, and its wave nature has not been exhibited. If the apparatus is changed so that a second beam splitter is placed in the upper right corner and the mirrors and splitters adjusted precisely at the same distance between one another, then the photons from each path will recombine at the second beam splitter and will show interference by always only hitting the detector on the right. This is explained if in this configuration the photon travels as a wave along both paths. The trajectory that ends at the detector at the top combines one route in which the wave is reflected on both beam splitters, with another in which it is transmitted through both of them. This introduces a difference in length between the two routes that causes the wave to be out of phase with itself and cancel out (destructive interference) as it leaves the second beam splitter towards the detector at the top. The trajectory to the detector on the right, on the other hand, involves two identical routes two reflections and two transmissions at the splitters which causes their phases to match, hence the waves reinforce each other (constructive interference) and always hit this detector. It is important to note that this happens even if only one photon is emitted at a time, which means the photon travels as a wave along both paths and interferes with itself as only a wave can do. That is, when the presence of a second beam splitter makes both paths reach both detectors, thus rendering their paths indistinguishable, the photon shows the wave characteristic of interference. Otherwise, it will randomly hit one detector or the other, as would a particle coming from just one path would; it follows that the photon seems to "decide" whether it will travel through the interferometer as a particle or as a wave depending on the setup that it will encounter at the end of it. Thus, Wheeler wanted to know if, experimentally, a time could be determined at which the photon made its "decision." Would it be possible to let a photon pass through the region of the first beam splitter while there was no beam splitter in the second position, thus causing it to "decide" to travel as a particle, and then quickly let the second beam splitter pop up into its path? Having presumably traveled as a particle up to that moment, would the beam splitter let it pass through and manifest itself as would a particle as if that second beam splitter had not been there? Or, would it behave as though the second beam splitter had always been there? Would it manifest interference effects? And if it did manifest interference effects, then to have done so must it have gone back in time and changed its "decision" about traveling as a particle to traveling as a wave? Note that Wheeler wanted to investigate several hypotheses by obtaining objective data. Albert Einstein did not like these possible consequences of quantum mechanics. However, when experiments were finally devised that permitted both the double slit version and the interferometer version of the experiment, it was conclusively shown that a photon that begins its life in an experimental configuration that would call for it to show its particle nature but ends up in an experimental configuration that would call for it to show its wave nature, it will always show its wave characteristics by interfering with itself. Likewise, if the experiment began with the second beam splitter in place but it was removed while the photon was in flight, then the photon would inevitably hit either detector without any sign of interference effects. So the presence or absence of the second beam splitter would always determine if it has "wave or particle" manifestation. Many experimenters reached an interpretation of the experimental results that said that the change in final conditions would retroactively determine what the photon had "decided" to be as it was entering the first beam splitter. As mentioned above, Wheeler rejected this interpretation.

Космический интерферометр

В попытке избежать разрушения нормальных представлений о причинно-следственных связях, некоторые теоретики предположили, что информация о том, был ли установлен второй разделитель луча, может каким-то образом передаваться из конечной точки экспериментального устройства обратно к фотону, в момент его входа в это устройство, позволяя ему принять правильное "решение". Поэтому Уилер предложил космическую версию своего эксперимента. В этом мысленном эксперименте он спрашивает, что произойдет, если квазар или другая галактика, находящаяся на расстоянии миллионов или миллиардов световых лет от Земли, пропустит свой свет вокруг находящейся между ними галактики или скопления галактик, которые будут действовать как гравитационная линза. Фотоны, направляющиеся точно к Земле, столкнутся с искажением пространства вблизи массивной галактики. В этот момент им придется "решить", обойти ли галактику одним путем, двигаясь как частица, или обойти ее обоими путями, двигаясь как волна. Когда фотон достигнет астрономической обсерватории на Земле, что произойдет? Благодаря гравитационному линзированию, телескопы в обсерватории увидят два изображения одного и того же квазара, одно слева от линзирующей галактики, а другое – справа. Если фотон двигался как частица и попал в объектив телескопа, направленного на левое изображение квазара, то он, должно быть, решил двигаться как частица на протяжении всех этих миллионов лет, по мнению некоторых экспериментаторов. Этот телескоп направлен не в ту сторону, чтобы зафиксировать что-либо с другого изображения квазара. Если фотон двигался как частица и пошел другим путем, то его зафиксирует только телескоп, направленный на правый "квазар". Миллионы лет назад фотон решил двигаться в форме частицы и случайно выбрал другой путь. Но экспериментаторы решили попробовать что-то другое. Они направили выходные сигналы двух телескопов в разделитель луча, как показано на схеме, и обнаружили, что один выход очень яркий (что указывает на положительную интерференцию), а другой выход практически равен нулю, что указывает на самоаннигиляцию входящих пар волновых функций. Уилер затем выступил в роли адвоката дьявола и предположил, что, возможно, для получения этих экспериментальных результатов необходимо, чтобы в момент установки астрономами разделителя луча фотоны, покинувшие квазар несколько миллионов лет назад, ретроактивно решили двигаться как волны, а когда астрономы решили снова убрать разделитель луча, это решение было передано назад во времени к фотонам, покинувшим квазар несколько миллионов лет и несколько минут назад, так что фотоны ретроактивно решили двигаться как частицы. Несколько способов реализации основной идеи Уилера были воплощены в реальных экспериментах, и они подтверждают вывод, который предвидел Уилер: то, что делается в выходном порту экспериментального устройства до обнаружения фотона, определяет, будет ли он проявлять интерференционные явления или нет. Ретрокаузальность – это мираж.

In an attempt to avoid destroying normal ideas of cause and effect, some theoreticians suggested that information about whether there was or was not a second beam splitter installed could somehow be transmitted from the end point of the experimental device back to the photon as it was just entering that experimental device, thus permitting it to make the proper "decision." So Wheeler proposed a cosmic version of his experiment. In that thought experiment he asks what would happen if a quasar or other galaxy millions or billions of light years away from Earth passes its light around an intervening galaxy or cluster of galaxies that would act as a gravitational lens. A photon heading exactly towards Earth would encounter the distortion of space in the vicinity of the intervening massive galaxy. At that point it would have to "decide" whether to go by one way around the lensing galaxy, traveling as a particle, or go both ways around by traveling as a wave. When the photon arrived at an astronomical observatory at Earth, what would happen? Due to the gravitational lensing, telescopes in the observatory see two images of the same quasar, one to the left of the lensing galaxy and one to the right of it. If the photon has traveled as a particle and comes into the barrel of a telescope aimed at the left quasar image it must have decided to travel as a particle all those millions of years, or so say some experimenters. That telescope is pointing the wrong way to pick up anything from the other quasar image. If the photon traveled as a particle and went the other way around, then it will only be picked up by the telescope pointing at the right "quasar." So millions of years ago the photon decided to travel in its guise of particle and randomly chose the other path. But the experimenters now decide to try something else. They direct the output of the two telescopes into a beam splitter, as diagrammed, and discover that one output is very bright (indicating positive interference) and that the other output is essentially zero, indicating that the incoming wavefunction pairs have self cancelled. Wheeler then plays the devil's advocate and suggests that perhaps for those experimental results to be obtained would mean that at the instant astronomers inserted their beam splitter, photons that had left the quasar some millions of years ago retroactively decided to travel as waves, and that when the astronomers decided to pull their beam splitter out again that decision was telegraphed back through time to photons that were leaving some millions of years plus some minutes in the past, so that photons retroactively decided to travel as particles. Several ways of implementing Wheeler's basic idea have been made into real experiments and they support the conclusion that Wheeler anticipated — that what is done at the exit port of the experimental device before the photon is detected will determine whether it displays interference phenomena or not. Retrocausality is a mirage.

Версия с двойным щелем

Второй вид эксперимента напоминает обычный эксперимент с двумя щелями. Схематическая диаграмма этого эксперимента показывает, что линза на дальней стороне двойных щелей заставляет траекторию от каждой щели незначительно отклоняться от другой после их пересечения вблизи этой линзы. В результате две волновые функции для каждого фотона оказываются в суперпозиции на относительно небольшом расстоянии от двойных щелей, и если в области суперпозиции волновых функций разместить детекторный экран, то будут наблюдаться интерференционные картины. Не существует способа определить, из какой именно щели пришел данный фотон. Однако, если детекторный экран убрать, волновые функции на каждой траектории будут накладываться в областях с все меньшими и меньшими амплитудами, а их суммарные вероятности будут значительно меньше, чем усиленные вероятности в центре каждой траектории. Когда телескопы направлены на перехват центра этих двух траекторий, вероятность обнаружения фотона в каждом из них будет почти равной – около 50%. Когда фотон регистрируется телескопом 1, исследователи могут связать его с волновой функцией, вышедшей из нижней щели. Когда фотон регистрируется телескопом 2, исследователи могут связать его с волновой функцией, вышедшей из верхней щели. Объяснение, поддерживающее эту интерпретацию экспериментальных результатов, заключается в том, что фотон вышел из одной из щелей, и на этом все. Фотону необходимо было стартовать от лазера, пройти через одну из щелей и прибыть по прямой линии к соответствующему телескопу. Ретрокаузальное объяснение, которое Уилер не принимает, утверждает, что при наличии детекторного экрана интерференция должна проявляться. Для проявления интерференции световая волна должна была выйти из каждой из двух щелей. Следовательно, одиночный фотон, попадая в диафрагму с двумя щелями, должен был "решить", что ему необходимо пройти через обе щели, чтобы иметь возможность интерферировать с самим собой на детекторном экране (не должен ли детекторный экран располагаться перед двойными щелями?). Чтобы интерференция не проявлялась, одиночный фотон, попадая в диафрагму с двумя щелями, должен был "решить" пройти только через одну щель, поскольку это привело бы к его появлению на камере в соответствующем телескопе. В этом мысленном эксперименте телескопы всегда присутствуют, но эксперимент может начинаться с установленного детекторного экрана, который затем удаляется сразу после того, как фотон покидает диафрагму с двумя щелями, или эксперимент может начинаться с отсутствующего экрана, который затем устанавливается сразу после того, как фотон покидает диафрагму. Некоторые теоретики утверждают, что вставка или удаление экрана в середине эксперимента может заставить фотон ретроактивно решить пройти через двойные щели как частица, когда он ранее проходил через них как волна, или наоборот. Уилер не согласен с этой интерпретацией. Эксперимент с двумя щелями, как и другие шесть идеализированных экспериментов (микроскоп, разделенный луч, наклонные зубы, диаграмма излучения, поляризация одного фотона и поляризация парных фотонов), предполагает выбор между дополнительными способами наблюдения. В каждом эксперименте мы нашли способ отложить этот выбор типа явления, которое необходимо исследовать, до самой последней стадии его развития, и это зависит от того, какое устройство обнаружения мы в конечном итоге выберем. Эта задержка не влияет на экспериментальные предсказания. В этом отношении все, что мы обнаружили, было предсказано в том единственном и значимом предложении Бора: "не имеет значения, в отношении наблюдаемых эффектов, которые могут быть получены с помощью определенной экспериментальной установки, зафиксированы ли заранее наши планы по созданию или работе с приборами или мы предпочитаем отложить завершение планирования до более позднего момента, когда частица уже находится на пути от одного прибора к другому".

A second kind of experiment resembles the ordinary double slit experiment. The schematic diagram of this experiment shows that a lens on the far side of the double slits makes the path from each slit diverge slightly from the other after they cross each other fairly near to that lens. The result is that the two wavefunctions for each photon will be in superposition within a fairly short distance from the double slits, and if a detection screen is provided within the region wherein the wavefunctions are in superposition then interference patterns will be seen. There is no way by which any given photon could have been determined to have arrived from one or the other of the double slits. However, if the detection screen is removed the wavefunctions on each path will superimpose on regions of lower and lower amplitudes, and their combined probability values will be much less than the unreinforced probability values at the center of each path. When telescopes are aimed to intercept the center of the two paths, there will be equal probabilities of nearly 50% that a photon will show up in one of them. When a photon is detected by telescope 1, researchers may associate that photon with the wavefunction that emerged from the lower slit. When one is detected in telescope 2, researchers may associate that photon with the wavefunction that emerged from the upper slit. The explanation that supports this interpretation of experimental results is that a photon has emerged from one of the slits, and that is the end of the matter. A photon must have started at the laser, passed through one of the slits, and arrived by a single straight line path at the corresponding telescope. The retrocausal explanation, which Wheeler does not accept, says that with the detection screen in place, interference must be manifested. For interference to be manifested, a light wave must have emerged from each of the two slits. Therefore, a single photon upon coming into the double slit diaphragm must have "decided" that it needs to go through both slits to be able to interfere with itself on the detection screen (shouldn’t the detection screen be placed in front of the double slits?). For no interference to be manifested, a single photon coming into the double slit diaphragm must have "decided" to go by only one slit because that would make it show up at the camera in the appropriate single telescope. In this thought experiment the telescopes are always present, but the experiment can start with the detection screen being present but then being removed just after the photon leaves the double slit diaphragm, or the experiment can start with the detection screen being absent and then being inserted just after the photon leaves the diaphragm. Some theorists argue that inserting or removing the screen in the midst of the experiment can force a photon to retroactively decide to go through the double slits as a particle when it had previously transited it as a wave, or vice versa. Wheeler does not accept this interpretation. The double slit experiment, like the other six idealized experiments (microscope, split beam, tilt teeth, radiation pattern, one photon polarization, and polarization of paired photons), imposes a choice between complementary modes of observation. In each experiment we have found a way to delay that choice of type of phenomenon to be looked for up to the very final stage of development of the phenomenon, and it depends on whichever type of detection device we then fix upon. That delay makes no difference in the experimental predictions. On this score everything we find was foreshadowed in that solitary and pregnant sentence of Bohr, " it can make no difference, as regards observable effects obtainable by a definite experimental arrangement, whether our plans for constructing or handling the instruments are fixed beforehand or whether we prefer to postpone the completion of our planning until a later moment when the particle is already on its way from one instrument to another."

Бомская интерпретация

Один из самых простых способов "понять" парадокс отложенного выбора — это изучить его с помощью бомовской механики. Удивительные последствия первоначального эксперимента с отложенным выбором привели Уилера к выводу, что "ни одно явление не является явлением, пока оно не становится наблюдаемым явлением". Уилер знаменито сказал, что "прошлое не имеет существования, кроме как зафиксированного в настоящем", и что Вселенная не "существует там, независимо от всех актов наблюдения". Однако Bohm et al. (1985, Nature, vol. 315, pp. 294–97) показали, что бомовская интерпретация дает прямое объяснение поведения частицы в установке с отложенным выбором. Подробное обсуждение доступно в статье с открытым исходным кодом, написанной Basil Hiley и Callaghan, а многие квантовые парадоксы, включая парадокс отложенного выбора, обобщены в главе 7 книги "A Physicist’s View of Matter and Mind" (PVMM) с использованием как бомовской, так и стандартной интерпретаций. В бомовской квантовой механике частица подчиняется классической механике, за исключением того, что её движение происходит под дополнительным влиянием её квантового потенциала. Фотоны или электроны имеют определенную траекторию и проходят через одну из двух щелей, а не через обе, как и в случае с классической частицей. Прошлое определено и остаётся неизменным до момента T1, когда экспериментальная конфигурация для обнаружения его как волны была изменена на конфигурацию для обнаружения частицы в момент прибытия T2. В момент T1, когда экспериментальная установка была изменена, квантовый потенциал Бома изменяется по мере необходимости, и частица движется классически под новым квантовым потенциалом до T2, когда она обнаруживается как частица. Таким образом, бомовская механика восстанавливает традиционное представление о мире и его прошлом. Прошлое существует как объективная история, не подлежащая ретроактивному изменению посредством отложенного выбора. "Квантовый потенциал" Q(r,T) часто рассматривается как действующий мгновенно. Но на самом деле изменение экспериментальной установки в момент T1 занимает конечное время dT. Начальный потенциал Q(r,T<T1) медленно изменяется в течение интервала времени dT, чтобы стать новым квантовым потенциалом Q(r,T>T1). В книге PVMM, упомянутой выше, делается важное замечание (sec. 6.7.1), что квантовый потенциал содержит информацию о граничных условиях, определяющих систему, и, следовательно, любое изменение экспериментальной установки немедленно распознается квантовым потенциалом и определяет динамику бомовской частицы.

One of the easiest ways of "making sense" of the delayed choice paradox is to examine it using Bohmian mechanics. The surprising implications of the original delayed choice experiment led Wheeler to the conclusion that "no phenomenon is a phenomenon until it is an observed phenomenon". Wheeler famously said that the "past has no existence except as recorded in the present", and that the Universe does not "exist, out there independent of all acts of observation". However Bohm et al. (1985, Nature vol. 315, pp. 294–97) have shown that the Bohmian interpretation gives a straightforward account of the behaviour of the particle under the delayed choice set up. A detailed discussion is available in the open source article by Basil Hiley and Callaghan, while many of the quantum paradoxes including delayed choice are summarized in Chapter 7 of A Physicist's View of Matter and Mind (PVMM) using both Bohmian and standard interpretations. In Bohm's quantum mechanics, the particle obeys classical mechanics except that its movement takes place under the additional influence of its quantum potential. A photon or an electron has a definite trajectory and passes through one or the other of the two slits and not both, just as it is in the case of a classical particle. The past is determined and stays what it was up to the moment T1 when the experimental configuration for detecting it as a wave was changed to that of detecting a particle at the arrival time T2. At T1, when the experimental set up was changed, Bohm's quantum potential changes as needed, and the particle moves classically under the new quantum potential till T2 when it is detected as a particle. Thus Bohmian mechanics restores the conventional view of the world and its past. The past is out there as an objective history unalterable retroactively by delayed choice. The "quantum potential" Q(r,T) is often taken to act instantly. But in fact, the change of the experimental set up at T1 takes a finite time dT. The initial potential Q(r,T<T1) changes slowly over the time interval dT to become the new quantum potential Q(r,T>T1). The book PVMM referred to above makes the important observation (sec. 6.7.1) that the quantum potential contains information about the boundary conditions defining the system, and hence any change of the experimental set up is immediately recognized by the quantum potential, and determines the dynamics of the Bohmian particle.

Экспериментальные детали

Оригинальное обсуждение Джоном Уилером возможности квантового выбора с задержкой появилось в эссе под названием «Закон без закона», опубликованном в книге, которую он и Войцех Губерт Зюрек редактировали под названием «Квантовая теория и измерения», стр. 182–213. Он начал свои рассуждения с повторения спора между Альбертом Эйнштейном, который стремился к постижимой реальности, и Нильсом Бором, считавшим, что концепция реальности Эйнштейна слишком ограничена. Уилер указывает, что Эйнштейн и Бор исследовали последствия лабораторного эксперимента, который будет обсуждаться ниже: в нем свет может найти путь из одного угла прямоугольной решетки полупрозрачных и полностью отражающих зеркал в другой угол, а затем может быть установлено, что он прошел либо половину периметра по одному пути и вышел, либо прошел оба пути вокруг периметра и затем «сделал выбор», через какой порт выйти. Этот результат справедлив не только для световых пучков, но и для отдельных фотонов света. Уилер заметил: эксперимент, выполненный в форме интерферометра и обсуждавшийся Эйнштейном и Бором, теоретически можно использовать для выяснения, иногда ли фотон движется по одному пути, всегда ли по двум, но иногда использует только один, или же произойдет что-то иное. Однако было проще сказать: «Во время случайных запусков эксперимента мы будем вставлять второе полупрозрачное зеркало непосредственно перед тем, как фотон достигнет этой точки», чем найти способ осуществить такую быструю замену. Скорость света слишком велика, чтобы механическое устройство могло выполнить эту задачу, по крайней мере, в лабораторных условиях. Для решения этой проблемы требовалась большая изобретательность. После публикации нескольких подтверждающих экспериментов Жак и др. заявили, что их эксперимент полностью соответствует первоначальной схеме, предложенной Уилером. Их сложный эксперимент основан на интерферометре Маха — Цендера, включающем в себя генератор фотонов на основе NV-центра в алмазе с управляемым запуском, поляризацию и электрооптический модулятор, действующий как переключаемый разделитель пучка. Измерения в замкнутой конфигурации показали интерференцию, а измерения в разомкнутой конфигурации позволили определить путь частицы, что сделало интерференцию невозможной. В таких экспериментах, как первоначально утверждал Эйнштейн, неразумно, чтобы один фотон одновременно двигался по двум маршрутам. Уберите полупрозрачное зеркало в верхнем правом углу, и вы увидите, что сработает либо один счетчик, либо другой. Таким образом, фотон прошел только по одному маршруту. Он проходит только по одному маршруту, но он проходит по обоим маршрутам: он проходит по обоим маршрутам, но только по одному. Какая бессмыслица! Как очевидно, что квантовая теория противоречива!

John Wheeler's original discussion of the possibility of a delayed choice quantum appeared in an essay entitled "Law Without Law," which was published in a book he and Wojciech Hubert Zurek edited called Quantum Theory and Measurement, pp 182–213. He introduced his remarks by reprising the argument between Albert Einstein, who wanted a comprehensible reality, and Niels Bohr, who thought that Einstein's concept of reality was too restricted. Wheeler indicates that Einstein and Bohr explored the consequences of the laboratory experiment that will be discussed below, one in which light can find its way from one corner of a rectangular array of semi silvered and fully silvered mirrors to the other corner, and then can be made to reveal itself not only as having gone halfway around the perimeter by a single path and then exited, but also as having gone both ways around the perimeter and then to have "made a choice" as to whether to exit by one port or the other. Not only does this result hold for beams of light, but also for single photons of light. Wheeler remarked:
The experiment in the form an interferometer, discussed by Einstein and Bohr, could theoretically be used to investigate whether a photon sometimes sets off along a single path, always follows two paths but sometimes only makes use of one, or whether something else would turn up. However, it was easier to say, "We will, during random runs of the experiment, insert the second half silvered mirror just before the photon is timed to get there," than it was to figure out a way to make such a rapid substitution. The speed of light is just too fast to permit a mechanical device to do this job, at least within the confines of a laboratory. Much ingenuity was needed to get around this problem. After several supporting experiments were published, Jacques et al. claimed that an experiment of theirs follows fully the original scheme proposed by Wheeler. Their complicated experiment is based on the Mach–Zehnder interferometer, involving a triggered diamond N–V colour centre photon generator, polarization, and an electro optical modulator acting as a switchable beam splitter. Measuring in a closed configuration showed interference, while measuring in an open configuration allowed the path of the particle to be determined, which made interference impossible. In such experiments, Einstein originally argued, it is unreasonable for a single photon to travel simultaneously two routes. Remove the half silvered mirror at the [upper right], and one will find that the one counter goes off, or the other. Thus the photon has traveled only one route. It travels only one route. but it travels both routes: it travels both routes, but
it travels only one route. What nonsense! How obvious it is that quantum theory is inconsistent!

Интерферометр в лаборатории

Версия эксперимента с интерферометром по проекту Уилера не могла быть реализована в лаборатории до недавнего времени из-за практической трудности вставки или удаления второго разделителя пучка за короткий промежуток времени между входом фотона в первый разделитель пучка и его достижением места, предназначенного для второго разделителя пучка. Эта реализация эксперимента достигается путем увеличения длины обоих плеч за счет вставки длинных отрезков волоконно-оптического кабеля. Это существенно увеличивает временной интервал, связанный с прохождением через установку. Высокоскоростное переключающее устройство на одном из плеч, состоящее из высоковольтного переключателя, ячейки Покельса и призмы Глана-Томпсона, позволяет отклонить это плечо от его обычного направления, эффективно приводя его в тупик. При включенном отклонении ничто не может достичь ни одного из детекторов по этому плечу, и, следовательно, интерференция не возникает. При выключении отклонения плечо возвращается к своему обычному режиму и проходит через второй разделитель пучка, восстанавливая интерференцию. Эта схема не вставляет и не удаляет второй разделитель пучка физически, но позволяет переключаться между состоянием, в котором интерференция наблюдается, и состоянием, в котором она отсутствует, в промежутке времени между входом света в первый разделитель пучка и выходом света из второго разделителя пучка. Если бы фотоны "решили" войти в первый разделитель пучка либо как волны, либо как частицы, они должны были бы быть направлены на изменение этого решения и прохождение через систему в другом качестве, причем без передачи каких-либо физических процессов входящим фотонам или первому разделителю пучка, поскольку такая передача была бы слишком медленной даже на скорости света. Интерпретация Уилера физических результатов заключается в том, что в одной конфигурации двух экспериментов одна копия волновой функции входящего фотона принимается с вероятностью 50% одним из детекторов, а в другой конфигурации две копии волновой функции, распространяющиеся по разным плечам, достигают обоих детекторов, находятся в противофазе друг с другом и, следовательно, демонстрируют интерференцию. В одном детекторе волновые функции будут синфазны, что приведет к 100% вероятности обнаружения фотона в этом детекторе. В другом детекторе волновые функции будут находиться в противофазе на 180°, полностью аннигилируя друг друга, и вероятность обнаружения соответствующих фотонов в этом детекторе будет равна 0%.

The Wheeler version of the interferometer experiment could not be performed in a laboratory until recently because of the practical difficulty of inserting or removing the second beam splitter in the brief time interval between the photon's entering the first beam splitter and its arrival at the location provided for the second beam splitter. This realization of the experiment is done by extending the lengths of both paths by inserting long lengths of fiber optic cable. So doing makes the time interval involved with transits through the apparatus much longer. A high speed switchable device on one path, composed of a high voltage switch, a Pockels cell, and a Glan–Thompson prism, makes it possible to divert that path away from its ordinary destination so that path effectively comes to a dead end. With the detour in operation, nothing can reach either detector by way of that path, so there can be no interference. With it switched off the path resumes its ordinary mode of action and passes through the second beam splitter, making interference reappear. This arrangement does not actually insert and remove the second beam splitter, but it does make it possible to switch from a state in which interference appears to a state in which interference cannot appear, and do so in the interval between light entering the first beam splitter and light exiting the second beam splitter. If photons had "decided" to enter the first beam splitter as either waves or a particles, they must have been directed to undo that decision and to go through the system in their other guise, and they must have done so without any physical process being relayed to the entering photons or the first beam splitter because that kind of transmission would be too slow even at the speed of light. Wheeler's interpretation of the physical results would be that in one configuration of the two experiments a single copy of the wavefunction of an entering photon is received, with 50% probability, at one or the other detectors, and that under the other configuration two copies of the wave function, traveling over different paths, arrive at both detectors, are out of phase with each other, and therefore exhibit interference. In one detector the wave functions will be in phase with each other, and the result will be that the photon has 100% probability of showing up in that detector. In the other detector the wave functions will be 180° out of phase, will cancel each other exactly, and there will be a 0% probability of their related photons showing up in that detector.

Интерферометр в космосе

Космический эксперимент, задуманный Уилером, можно описать как аналогичный эксперименту с интерферометром или как аналогичный эксперименту с двумя щелями. Важно то, что благодаря третьему типу устройства – массивному звёздному объекту, действующему как гравитационная линза – фотоны из источника могут достигать наблюдателя двумя различными путями. В зависимости от того, как организованы фазовые сдвиги между парами волновых функций, можно наблюдать различные типы интерференционных явлений. Экспериментаторы могут контролировать, объединять входящие волновые функции или нет, и каким образом это объединение происходит. В отличие от лабораторных интерферометрических экспериментов, в данном случае фазовые сдвиги не вводятся экспериментальной установкой, поэтому, несмотря на отсутствие устройства с двумя щелями вблизи источника света, космический эксперимент ближе к эксперименту с двумя щелями. Однако Уилер планировал объединить входящие волновые функции с помощью разделителя пучка. Главная сложность в реализации этого эксперимента заключается в том, что экспериментатор не может контролировать или узнать, когда каждый фотон начал своё путешествие к Земле, и не знает длины каждого из двух путей от далёкого квазара. Следовательно, две копии одной волновой функции вполне могут прийти в разное время. Чтобы синхронизировать их для взаимодействия, потребуется устройство задержки для первого прибывшего фотона. Прежде чем это станет возможным, необходимо разработать способ вычисления временной задержки. Одно из предложений по синхронизации сигналов с двух концов этого космического экспериментального устройства основано на характеристиках квазаров и возможности идентификации идентичных событий, проявляющихся в определённой характеристике сигнала. Информация от квазаров-близнецов, которые Уилер использовал в качестве основы для своих рассуждений, достигает Земли с разницей примерно в 14 месяцев. Удержать квант света в некотором виде петли на протяжении более года было бы непросто.

The cosmic experiment envisioned by Wheeler could be described either as analogous to the interferometer experiment or as analogous to a double slit experiment. The important thing is that by a third kind of device, a massive stellar object acting as a gravitational lens, photons from a source can arrive by two pathways. Depending on how phase differences between wavefunction pairs are arranged, correspondingly different kinds of interference phenomena can be observed. Whether to merge the incoming wavefunctions or not, and how to merge the incoming wavefunctions can be controlled by experimenters. There are none of the phase differences introduced into the wavefunctions by the experimental apparatus as there are in the laboratory interferometer experiments, so despite there being no double slit device near the light source, the cosmic experiment is closer to the double slit experiment. However, Wheeler planned for the experiment to merge the incoming wavefunctions by use of a beam splitter. The main difficulty in performing this experiment is that the experimenter has no control over or knowledge of when each photon began its trip toward earth, and the experimenter does not know the lengths of each of the two paths between the distant quasar. Therefore, it is possible that the two copies of one wavefunction might well arrive at different times. Matching them in time so that they could interact would require using some kind of delay device on the first to arrive. Before that task could be done, it would be necessary to find a way to calculate the time delay. One suggestion for synchronizing inputs from the two ends of this cosmic experimental apparatus lies in the characteristics of quasars and the possibility of identifying identical events of some signal characteristic. Information from the Twin Quasars that Wheeler used as the basis of his speculation reach earth approximately 14 months apart. Finding a way to keep a quantum of light in some kind of loop for over a year would not be easy.

Двойные щели в лаборатории и космосе

Версия эксперимента с двумя щелями, предложенная Уилером, устроена таким образом, что один и тот же фотон, прошедший через две щели, может быть зарегистрирован двумя способами. Первый способ позволяет двум траекториям объединиться, двум копиям волновой функции наложиться друг на друга и проявить интерференцию. Второй способ предполагает удаление от источника фотонов на такое расстояние, где расстояние между двумя копиями волновой функции становится слишком большим для проявления эффектов интерференции. Техническая сложность в лабораторной реализации заключается в том, как установить детекторный экран в подходящей точке для наблюдения интерференционной картины или удалить этот экран, чтобы выявить фотодетекторы, способные регистрировать фотоны, пришедшие из узких областей пространства, где расположены щели. Одним из способов решения этой задачи было бы использование недавно разработанных электрически переключаемых зеркал и простое изменение направления двух траекторий от щелей путем включения или выключения зеркала. По состоянию на 2014 год о проведении подобного эксперимента не сообщалось. Космический эксперимент, описанный Уилером, имеет и другие недостатки, но направление копий волновой функции в ту или иную точку спустя долгое время после того, как фотон, по-видимому, "определился", быть волной или частицей, не требует большой скорости. Есть около миллиарда лет, чтобы выполнить эту задачу. Космическая версия интерферометра может быть адаптирована для функционирования как космическое устройство с двумя щелями, как показано на иллюстрации.

Текущие интересные эксперименты

Первый реальный эксперимент, воплощающий замысел Уилера о применении аппарата с двумя щелями с определением метода регистрации на финальной стадии, был проведен Уолборном и др. Исследователи, располагающие радиотелескопами, изначально разработанными для поиска SETI, подробно описали практические трудности проведения межзвездного эксперимента Уилера. Недавний эксперимент, проведенный Мэннингом и др., подтверждает стандартные предсказания квантовой механики на примере атома гелия.

Выводы

Ма, Зелингер и др. обобщили результаты экспериментов, вытекающих из предложений Уилера. Они утверждают:
Наша работа демонстрирует и подтверждает, что то, раскрывают ли корреляции между двумя запутанными фотонами информацию о "каком пути" или интерференционную картину отдельного (системного) фотона, зависит от выбора измерения, произведенного на другом (окружающем) фотоне, даже когда все события на обеих сторонах, которые могут быть разделены пространственно, действительно разделены пространственно. Тот факт, что можно установить, проявляется ли волновое или корпускулярное свойство спустя долгое время после измерения, и даже в пространственно разделенных точках, учит нас, что не следует придерживаться наивного реалистического подхода к интерпретации квантовых явлений. Любое объяснение происходящего в конкретном акте наблюдения одного фотона должно учитывать весь экспериментальный аппарат, описывающий полное квантовое состояние, состоящее из обоих фотонов, и может быть осмысленно только после регистрации всей информации о дополнительных переменных. Наши результаты показывают, что представление о том, что системный фотон ведет себя однозначно как волна или однозначно как частица, потребовало бы передачи информации быстрее скорости света. Поскольку это противоречит специальной теории относительности, мы полагаем, что от такой точки зрения следует полностью отказаться.