中国科学家巧设实验诠释量子力学波函数真实存在

新华社2月22日从北京报道:“无论你在不在，我都在”——中国科学家巧妙地建立实验来解释量子力学波函数的真实存在。

新华社记者于晓节

量子力学是20世纪一项伟大的科学发现，它与相对论不相上下。它催生了激光、半导体和核能等高新技术。

尽管量子力学深刻地改变了人类的生活，但是用来描述微观粒子状态的波函数的本质是什么仍然没有解决。哥本哈根概率波理论，德布罗意导航波理论，多世界理论...物理学家提出了各种假设和解释，但他们没有达成共识。哥本哈根学派作为量子力学的主要解释者，认为波函数只是一种数学描述。

最近，清华大学的龙桂鲁教授提出了“波函数是微观物体的真实存在”的全新观点，创造性地设计了“遭遇延迟选择实验”，并带领团队成功地完成了实验。研究结果发表在最近的《中国科学》上。

“我认为微观物体的波函数是它的存在形式。它分散在空间，有振幅和相位。测量时，波函数以无限的速度坍缩，并且通常以小于或等于光速的速度传播。当分离的波函数组合在一起时，相位诱导的波函数相互干扰，相互抵消，使微观物体呈现波动特性。”龙桂鲁说。

波函数的真实存在可以用“遭遇延迟选择实验”来说明。22日，龙桂鲁在清华大学科学楼的一间堆满物理书籍《左传》和《资治通鉴》的办公室里介绍了这个有趣的实验。

在矩形马赫-曾德尔干涉仪中，半透明半反射分束器安装在左下角，全反射镜分别安装在左上角和右下角，第二分束器根据需要安装或不安装在右上角，单光子探测器分别安装在右上角和右上角。路径1被左下角的分束器反射，沿着左边，并且在左上角到右上角。路径2穿过左下角的分束器，并沿着底部边缘通过右下角反射到右上角。在干涉实验中，无论第二个分束器是否存在，单个光子总是同时通过两条路径。“遭遇延迟选择实验”允许这两条路径上的波函数在决定是否插入第二个分束器之前相遇，并且结果支持这种真实的解释。

通过第一个分束器后，波函数被分成两部分，就像一条大贪吃蛇变成两条小贪吃蛇，分别通过路径1和路径2。如果没有第二个分束器，当它们相遇并分别到达两个探测器时，它们将“忽略”，每个探测器被探测到的概率为一半。当它们在右上角相遇，并且其中一半已经通过干涉仪时，分束器被插入，并且两个波函数被“腰截断”。此时，在插入之前已经通过的波函数部分仍然被“忽略”，并且分别到达两个检测器。然而，其余的波函数在分束器中干涉，并且“永不放弃”，并且全部到达正确的检测器。如果实验重复多次，两个探测器探测到的光子数分别是总数的1/4和3/4。”龙桂鲁说。

据专家评价，龙桂鲁在理解波函数上的突破在于提出了一个真正的解释——波函数是微观对象的存在方式，打破了“微观粒子只是小硬球”的传统理解，推翻了约翰·惠勒提出的“延迟选择实验”的结果，避免了微观世界中因果定律的违背。

“延迟选择实验”是由爱因斯坦的同事约翰·惠勒在1979年纪念爱因斯坦100岁生日的研讨会上提出的。在实验中，惠勒让单光子通过左下角的分束器，然后决定是否放置第二个分束器。一旦单光子选择了一条路径，即使第二个分束器存在，也不会有干涉。实验情况是，是否放置第二个分束器是在以后还是之前决定的，结果完全相同:如果放置，光子将选择同时走两条路径，如果不放置，光子将选择只走一条路径。单光子就像一个有预知能力的巫师。它将根据第二个分束器的存在选择一个或两个路径。惠勒认为，随后发生的是否放置第二个分束器的事件影响了第一个单光子入射的路径，微观世界不再遵守因果定律！

“我们的观点是，不管你(第二个分束器)是否存在，我的波函数都在这里——在两条路径上。”龙桂鲁说。

量子理论诞生已经一个世纪了，量子世界仍然“模糊不清”。正如尼尔斯.玻尔所说，任何第一次听到量子理论而没有感到震惊的人都不能理解它。

“我们的解释使用简单易懂的图像来理解神秘的量子效应，如量子隧道效应、双缝干涉实验、量子纠缠、非局域性和波粒二象性。”龙桂鲁说。

龙桂鲁团队长期从事量子信息研究，因其在量子通信物理和量子算法方面的基础研究获得国家自然科学奖二等奖。