宇宙量子实验验证量子力学理论

物理学家使用马特拉激光测距天文台来验证量子理论。资料来源:意大利帕多瓦大学

最近，意大利科学家进行的“奇怪”空间实验证实，正如量子力学所说，现实是你的选择。

物理学家早就知道光量子或光子像粒子或波一样运动，光量子是否表现出粒子或波的特性取决于它们是如何被测量的。但是现在，一个研究小组通过从卫星发射光量子初步证实了这个结论。尽管实验似乎错过了决定光量子是否呈现波动或粒子性质的时间点，观察者仍然可以选择它呈现的形式，即使实验已经接近完成。研究人员表示，这个延迟选择实验可能有助于人们更好地探索量子理论和相对论之间的模糊界限。

此前，其他研究人员也在实验室证明了同样的反直觉效应(与现有的直觉认知相反)。但是法国帕莱索光学研究所的物理学家菲利普·格兰吉尔参与了一个类似的实验，他提到新的研究表明光量子的性质在数千公里内仍未确定。“这也是一个非常好的实验，可以证明团队在太空进行量子物理实验的强大能力。”他说。

光量子可以表现出子弹状的粒子状态和波动动力学，但是它不能同时表现出这两种特性——它表现出的特性取决于实验者如何测量它。早在20世纪70年代末，著名的理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒就意识到，实验者甚至可以推迟做出这一选择，直到光量子几乎完全通过某些设备后再做出决定。这证明了光量子的行为是不可预测的。

惠勒曾经设想使用马赫-曾德尔干涉仪一次发送一个光子。这种方法强调光的波动。借助于一个类似镜子的“分束器”，干涉仪将把进入它的光子量子波分成两半，使这两个波以相反的方向传播。

然后，第二个分束器将两个干涉波重组，将光子导入探测器。哪一个探测器将被触发取决于两条路径的长度差，这正是预期的干扰波之间通常发生的情况。

移除第二个分束器，干涉不再存在。相反，第一个分束器发出的光量子将像一个粒子，必须走其中一条路径。此外，不管路径长度如何，这些光量子将以相同的概率落在探测器上。

惠勒意识到实验者甚至可以等到第二个分束器被移走，光子通过第一个分束器后再进行测量。这个断言显示了一个奇怪的结论，即当前的选择和决定实际上决定了过去的事件:光量子是被分裂以显示波动性还是粒子通过单一路径。量子理论假设光子在测量之前保持波粒二象性，因此巧妙地避免了这个问题。

几天前，意大利帕多瓦大学的弗朗切斯科·韦多瓦托和保罗·维洛雷西领导的研究小组在意大利南部的马特拉激光测距天文台用1.5米长的望远镜进行了一项实验。他们从几千公里外的卫星发射光量子，并对它们进行测量。

维洛雷西指出，在如此长的距离上，物理学家不能让光从两条平行的路径射出，因为如果这样，扩散的光束会重叠合并。因此，研究人员使用不同长度路径的马赫-曾德尔干涉仪在地球上发射光子。路径长度的差异将导致单脉冲信号被分成时差为3.5纳秒的两个脉冲，然后通过望远镜发送到太空。

一旦脉冲返回，实验者将引导它们回到干涉仪。该装置可以消除时移，使两个脉冲信号重叠并像波一样相互干扰，或者将它们相乘而不相互干扰。当然，物理学家必须选择会发生什么。当脉冲首先离开干涉仪时，它们有不同的偏振。为了消除时间偏移，物理学家必须首先使用非常快的电子极化以某种方式改变他们的极化。如果他们想使时间偏移加倍，他们只需要保持原来的极化效应。

当实验者重叠脉冲信号时，就像预期的干涉波一样，光量子会以两种不同的概率触发不同的探测器，这两种概率与卫星的后退速度有关。当脉冲不能相互干扰时，光子会以相同的概率触发任何探测器，就像粒子一样，不管卫星速度如何。该团队最近在《科学进步》杂志上发表了一篇论文，指出在实验中，物理学家将决定如何测量从卫星发出的10毫秒往返光，这一点非常重要。然而，延迟的决定似乎又被及时“反馈”了，从而确定了离开第一个分束器后光子的性质。

这个不寻常的空间实验证实了量子力学中的一个观点，即“现实”可以被人们选择。

法国巴黎高等师范学校的物理学家让-弗朗索瓦·罗奇(Jean-Franois Roch)表示，该实验并不是对惠勒观点最严格的验证。例如，为了观察穿过如此长距离的光，维洛雷西和他的同事必须发射包含许多光子的脉冲，而不是惠勒指定的单量子光。然而，罗奇认为，这个实验仍然可以被视为成功地将“量子光学”从实验室引入太空的一个显著例子。

Roch还提到延迟选择实验可能有助于探索相对论和量子理论之间的界限。虽然严格地说，发现的效应并不违反因果关系定律，但它仍然导致一个未解决的悖论，因为它提出过去的结果可以从当前的测量标准中推断出来。"它结合了量子力学和相对论，还没有被研究过."罗奇说，“因此，这种实验可能会成功地探索两者之间的联系。”(张张编)

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