爱因斯坦错了：测量光子的确会影响其位置

量子力学是当今科学中得到最多实验分析的理论之一。这也是科学家试图通过实验证明爱因斯坦错误的少数领域之一。最近，澳大利亚格里菲斯大学和日本东京大学的研究小组声称已经完成了这项工作。他们的实验表明，测量确实会影响被测粒子的位置。

早在20世纪20年代和30年代，爱因斯坦就表达了他对这一奇怪现象背后的“不确定性原理”的不满。他称之为“幽灵般的心灵感应”，意思是一个粒子可以同时出现在两个地方，并且在有人测量粒子之前它不会有一个确定的位置，但是在这个过程中，似乎没有信号以超光速传输给粒子。当粒子的位置确定后，物理学家称之为粒子波函数的崩溃。

在20世纪20年代和30年代，爱因斯坦(左)反复强调他不同意测量粒子会影响其位置的奇怪理论。然而，来自日本和澳大利亚的一组科学家进行的研究表明，当测量光子时，光子会出现这种奇怪的现象，这就是爱因斯坦所说的“幽灵般的远摄效应”。右图中的人是澳大利亚格里菲斯大学的霍华德·维斯曼教授。

这种现象超出了当代科学家的物理经验，似乎与相对论相矛盾，相对论认为光速是任何信息传输速度的上限。爱因斯坦指出，这个粒子不是处于叠加状态，也不是同时出现在两个地方，更有可能它有一个“真实”的位置，但人们无法观察到它。

这种现象可以用一个意识形态实验来说明。假设一束光被分成两半，一半被发射到爱丽丝的实验室，另一半被发射到鲍勃的实验室。然后，爱丽丝想指出是否已经检测到光子，如果是，光子处于什么状态——也许可以用波包来描述光子。从数学上讲，光子处于“叠加”状态，也就是说，它可以同时出现在两个(或更多)地方。它的波函数似乎表明光子没有确定的位置。

格里菲斯大学量子力学中心主任霍华德·怀斯曼说:“爱丽丝的测量导致了叠加坍缩。”这意味着光子出现在测量中的这里或其他地方，而不是同时出现。如果爱丽丝探测到一个光子，这意味着在鲍勃的实验室里，光子的量子态崩溃并进入零光子状态。但是如果爱丽丝没有探测到光子，鲍勃那边的光子就塌缩成单光子状态。

在3月24日的《自然通讯》上，怀斯曼和其他人描述了这个实验。他说:“你认为这种现象合理吗？我不这么认为，因为爱因斯坦肯定不认为这是合理的。他认为这很疯狂。”从描述来看，爱丽丝的测量似乎主导了鲍勃的观察。

这个悖论在提出几年后得到了部分解决。一些实验表明，尽管两个量子粒子之间的相互作用是瞬间发生的，即两个粒子的信息传输速度比光速快，但仍然没有办法利用这一现象进行信息传输。

霍华德·怀斯曼领导了这项新实验。他和研究小组的成员希望更进一步，揭示波函数的崩溃过程——爱丽丝“选择”了测量，从而影响了鲍勃的探测——确实正在发生。其他实验揭示了两个粒子之间的纠缠，但是在这项新的研究中，光子与自身纠缠在一起。

通过在两个实验室之间划分单个光子，科学家使用零差探测器(测量类波特征)进行测量，证明波函数坍缩是一种真实的现象。

在实验中，科学家发射的光子束穿过分离器，一半的光被传输到一个实验室，另一半被反射到另一个实验室(相当于前述思维实验中爱丽丝和鲍勃的实验室)。每次光以单个光子的形式传播时，这个光子就被分成两个。在被测量之前，它以叠加态存在。

其中一个实验室使用激光作为参考来测量光子的相位。如果你认为光是一个重复的正弦波，相位就是测量的角度，从0到180度。当参考激光的角度改变时，可以获得不同的光子测量结果:它或者处于某一相位，或者根本不出现。

在另一个实验室，科学家的光子测量结果与前一个实验室的结果成反比，也就是说，如果在一边观察到光子，在另一边就不能观察到光子，反之亦然。后一个实验室的光子状态取决于前一个实验室的测量结果。然而，这种现象不应该发生在经典物理学中，这两个粒子应该处于不同的状态。