中微子实验打碎传统认知

主注入器中微子振荡实验探测器。资料来源:哈恩/费米实验室

来自一个大型中微子实验的数据显示，这种“幽灵般的”亚原子肯定同时是两种相互排斥的类型，这打破了人们对现实的感知。这个结论也是量子力学的基本原理。这些理论通常是由高度受控的量子光学实验揭示的，而不是检测不到的中微子。

“如果你10年前告诉我，我们将能够用中微子来研究量子理论。我会说吸烟让你太兴奋了。”澳大利亚昆士兰大学的物理学家安德魯·怀特没有参与这项研究，他说:“这个结论一点也不奇怪，但是绝对有吸引力。因为它告诉人们有一个新的系统来验证量子理论。”

根据量子理论，非常小的东西根本不像日常生活中的东西:不像苹果，一个亚原子粒子可以同时出现在两个地方或者表现出两种不同的类型。但是这些双向“叠加”状态是脆弱的。测量表明，光子可以在水平和垂直两个方向上偏振，并且它将在一个方向上随机“塌缩”。

此外，量子理论还指出，光子的偏振直到被测量后才存在。然而，阿尔伯特·爱因斯坦放弃了这一理论，认为一个物体的物理属性必须是“一个真实的元素”，并且存在于测量研究之外。为了保存“真实性”，一些物理学家认为，上述测量研究的结果是由光子内部的一些“隐藏变量”决定的。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔提出了一种测试方法，来区分粒子的行为是符合爱因斯坦的隐变量理论还是在量子力学的“鬼效应”中。他的计算发现隐藏变量可以解释最大的相关性。如果超过这个值，爱因斯坦的模型一定是错的。贝尔不等式的诞生宣告了关于量子理论局部性的争论，从纯粹的哲学思辨转变为可以被实验证伪的科学理论。

去年，荷兰和美国的物理学家进行了第一次贝尔实验，该实验可以解决“检测漏洞”和“通信漏洞”。该团队使用了一种称为“纠缠交换”的巧妙技术，将光子和物质粒子的优势结合起来。在九天内，该团队产生了245对纠缠电子。最终的测量结果显示两个电子之间的相关性超过了贝尔极限，再次支持了标准量子力学的观点。这似乎也宣告了隐藏变量理论的诞生。

事实上，在1985年，西北大学的理论家阿努帕姆·加尔格和伊利诺伊大学的安东尼·莱格特提出了一个完全不同的解决方案:与其试图“验证”量子理论，不如试图证明除量子理论以外的所有解释都与实验观察不一致，从而将它们排除在外。莱格特和加尔格发现，同一物体在不同时间的测量只能有一定程度的统计相关性，并建立了“莱格特-加尔格不等式”。

2011年，怀特和他的同事证实了量子光子具有高强度相关性，尽管只是平均而言，并不使用单光子。现在，麻省理工学院的中微子物理学家约瑟夫·福马吉奥的研究小组已经利用费米国家加速器实验室主注入器中微子振荡的实验数据提供了证据。该实验允许口兹勒中微子束通过费米实验室的米诺斯近程探测器，然后到达450英里外的明尼苏达州的远程探测器。

中微子有三种类型。从费米实验室开始，穆兹勒中微子振荡成电子中微子。MINOS不会重复测量单个中微子，但是每个中微子都是从同一个状态开始的，并且只有在离开费米实验室时才会进化。

MINOS没有在距离费米实验室不同的距离上测量中微子，所以Formaggio等人不能直接将其与在不同飞行时间获得的测量结果进行比较。因此，研究小组分析了到达明尼苏达州的不同能量的缪尔微中子数量的等效相关性。

研究人员观察到莱格特和加尔格的预测之间有很强的相关性，最近在《物理评论快报》上发表了相关结果。"正如我们所料，它有明显的效果。"Formaggio说，数据强调中微子没有“种类”，直到它们被实际测量。

Garg说这个结论并不奇怪，正如中微子振荡是量子力学的一个内在机制一样。然而，他也指出，探索量子理论和经典世界之间的冲突是一个新的领域。

Formaggio和White说，下一步，研究人员将确定中微子是否能以另一种方式测试量子理论。加尔格还希望有人能推进莱格特提出的原始理论:“宏观实在论”，即足够大的物体只能在同一时间处于同一位置(即宏观叠加不能存在)；人们可以准确地确定这个物体的位置，而不会干扰它。

无论如何，正如澳大利亚昆士兰大学的物理学家亚历山德罗·费崔西所说，什么是真正的真理？真正令人兴奋的是测试的设计，以检查事实上是否有任何客观的实体。(张张)

《中国科学报》(2016-07-25，第三版国际版)

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