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量子世界的奇异性,或许只是个表象

2018年03月07日 天文物理 ⁄ 共 2686字 ⁄ 字号 暂无评论

最新的实验结果支持了与主流理论不同的观点:所有的粒子都有确定的轨迹,幽灵一般的“波函数”并非大自然的本质。

量子世界的奇异性,或许只是个表象

 

量子世界的奇异行为一直为人们津津乐道,量子物体究竟是遵循着确定的轨迹,还是如幽灵一般无迹可寻?经典的哥本哈根诠释认为追踪量子物体的“轨迹”没有意义,然而最近一项实验的结果支持了另一个理论——自提出以来就一直被人遗忘,沉寂64年的玻姆量子力学理论或许正迎来复兴。如果它能成立的话,它将支持与哥本哈根诠释完全不同的观点:所有的粒子都有确定的轨迹,幽灵一般的“波函数”并非大自然的本质。

 

量子世界的行为已经困扰了物理学家近一个世纪。 与具有机械钟式的精确性和令人愉悦的可预测性的经典世界不同,量子世界充满着随机性。

 

著名的例证就是双缝实验:如果你向两条狭缝发射一束光子,我们的经典直觉认为每一个光子都通过一个或另一个狭缝,然后打在另一侧的屏幕上,形成两道条纹。然而当你实际做这个实验时,光子束会在屏幕上形成亮暗条纹交错的干涉图样,就仿佛每个光子表现得像波一样,同时通过两条狭缝。

 

对这一行为的主流解释被称作哥本哈根诠释,它认为,在测量之前,问一个光子是波还是粒子这样的问题是没有意义的,只有在测量之后光子才“坍缩”成光或粒子,且具体“坍缩”成光还是粒子依赖于测量的是什么属性。另一个著名的解释是多世界诠释,在它看来,光子并没有“坍缩”,只是它所在的世界随着测量分裂成了多个世界,光子的每一个可能状态都在其中一个世界中实现,我们只观察到了其中一个世界的一个结果。

 

量子的奇异外表下,是有序的真实存在

 

然而1952年戴维·玻姆(David Bohm)提出,量子世界之所以表现得奇怪,只是因为我们对其背后的客观实在了解的不够。他说,在量子奇异性的表面下,现实其实是有序的。加拿大多伦多大学的埃弗雷姆·斯坦伯格(Aephraim Steinberg)说:“这是一个非常确定性的描述,它意味着所有粒子都有确定的位置,并沿着特定的轨迹运动。”

 

近来很多实验都表明,不存在这种“隐藏的现实”。然而,它们只排除了这些理论中特定的一类,即假设任何粒子背后隐藏的实在都是局域性的,它们不会受到远处某物的影响。然而,玻姆认为隐藏的实在是非局域性的,在他的理论中,每一个事物都由其他所有事物决定。在玻姆的宇宙中,某个遥远星系发生的事件会立刻对你产生影响,无论这种影响多么微弱;反之亦然。

 

回到电子是波还是粒子这一争论,玻姆的理论认为电子既是粒子,又是波:电子是有确定轨迹的粒子,然而这条轨迹是由一个波控制的,而这个波又由该电子驾驭。这个波同样可以被其他粒子影响,这反过来会改变电子的轨迹。

 

 “超现实”的粒子轨迹

 

 “玻姆力学”并没有得到所有人的认同。1992年的一个思想实验似乎敲响了它的丧钟:由四位作者的姓氏首字母命名的ESSW实验,在玻姆的理论下考虑了双缝实验。

 

按照玻姆力学,一个光子要么通过上面的狭缝,要么通过下面的狭缝,不会两个都通过。在它们的波的引导下,通过上面狭缝的电子最终会停在屏幕的上半部分,而通过下面狭缝的电子最终会停在屏幕的下半部分。

 

在ESSW实验中,研究者们想象在狭缝前面有一个探测器,它可以告诉我们光子通过了顶部还是底部的狭缝。数学分析却揭示了一件很奇怪的事:有时一个光子触发了顶部狭缝的探测器,最终却停在了屏幕的下半部分。尽管这一结果的正确性争议颇多,物理学家还是承认了它的存在,并把它称为“超现实”轨迹。

 

玻姆归来

 

如今斯坦伯格和他的同事们做出了ESSW实验,得出的结论是,玻姆力学还没有死。

 

他们用一对纠缠光子进行实验。纠缠光子是密切相关的,无论它们相距多远,测量其中一个的偏振态都会影响另一个的偏振态。每对光子中的一个都被送到一个与双缝装置相似的仪器中。

 

光子被引导到上面还是下面的狭缝,取决于它的偏振态是竖直的还是水平的。当光子穿过仪器时,研究者们在保持它的量子特性的前提下,轻轻地探测它的位置。每次测量只给出一个近似值,但通过追踪一大群相同的光子,研究者们可以重建光子从狭缝到屏幕所经历的轨迹的集合。

 

每对纠缠光子中的另一个留在双缝仪器之外,作为探针使用——类似于ESSW实验中的探测器。由于它们是纠缠光子,所以探针光子的偏振态应该能准确地反映出它的同伴进入仪器时通过的狭缝。事实上,在轨迹的起始段,探针光子的偏振态的确精确地反映了其同伴走过的路径。

 

在实验光子高速通过仪器的过程中,研究组一直在测量探针的光子态,结果发现它的偏振态在持续地变化。比如说,如果开始时探针的偏振方向是水平的,表明实验光子通过了底部的狭缝。然而当实验光子到达屏幕时,探针光子的偏振态变成了水平偏振和竖直偏振两种态各一半的叠加态。因此,何时查看探测光子的偏振态,决定了你是得到关于其同伴路径的正确信息,还是误入歧途。

 

真实的世界

 

研究组认为这意味着实验光子的轨迹改变了探针的偏振态——这符合玻姆关于非局域相互作用的观点,也可以解决ESSW思想实验提出的诘难。提出ESSW思想实验的研究者认为光子具有轨迹这一假设出了问题,而斯坦伯格和他的同事们则表明,轨迹是真实的,只是探测器对光子的探测不可靠。

 

 “我很高兴看到这一问题的解决,它重新唤起了我对玻姆力学的兴趣,”斯坦伯格说,“我们要让它回到与其他量子力学解释相平等的位置上。”

 

伦敦大学伯贝克学院的物理学家巴兹尔·希利(Basil Hiley)对这个实验印象很深,他说:“这是一种看待量子非局域性的新方式,它证明了玻姆的地位。”

 

然而,新泽西州罗格斯大学研究量子力学基础问题的专家谢尔登·戈尔茨坦(Sheldon Goldstein)指出,哪怕玻姆力学预言的粒子轨迹在实验上被观测到,也并不能证明玻姆关于现实本质的理论是正确的,因为那些路径同样可以用其他理论来解释。

 

不过,戈尔茨坦也表示,新的实验还是带来了一些改变。“在玻姆力学诞生几十年之后,人们终于开始稍微严肃一点地看待他的理论了,”他说,“曾有一段时间你甚至都不能谈论它,因为它是异端。现在,对于物理职业工作者来说,从事玻姆理论的相关工作或许仍然很危险,不过这也许正在改变。”(撰文:阿尼尔·阿南塔斯瓦米(Anil Ananthaswamy) 编译:乔宇  审校:丁家琦)

 

参考文献:Science Advances, DOI: 10.1126/science.1501466

 

原文链接:

https://www.newscientist.com/article/2078251-quantum-weirdness-may-hide-an-orderly-reality-after-all/


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