科学家开展一系列试验探究量子怪诞性

欧文·马罗尼担心物理学家已经花了半个多世纪在欺骗业务上。

牛津大学的物理学家马罗尼解释说，自从他们在20世纪早期发明量子理论以来，他们一直在讨论它有多奇怪，例如，它如何使粒子和原子同时向多个方向运动，或者同时顺时针和逆时针旋转。然而，马罗尼认为，讨论毕竟不是证据。“如果我们告诉公众量子理论是荒谬的，我们最好证明它是真的。否则，我们不是在学习科学，只是在解释黑板上一些有趣的涂鸦。”

正是这种情绪促使马罗尼和其他人开发了一系列新的实验来揭示波函数的本质，而这个神秘的实体是量子奇形怪状的核心。在本文中，波函数只是一个简单的数学对象。物理学家用希腊字母ψ来描述粒子的量子行为。依靠实验，波函数使研究人员能够计算在任何特定位置观察电子的概率，或者电子向上或向下旋转的概率。然而，数学不能解释波函数到底是什么。这是一种物理现象吗？或者它只是一个计算工具？

用来寻找答案的测试非常好，但还没有得出一个明确的答案。然而，研究人员对答案几乎持乐观态度。如果是这样的话，他们最终将能够回答已经存在了几十年的问题。一个粒子真的能同时存在于许多地方吗？宇宙在继续把自己转变成一个平行的世界，而每个世界都有不同版本的我们吗？有客观实体吗？

"这些是每个人在特定情况下都会问的问题。"澳大利亚昆士兰大学的物理学家亚历山德罗·费崔西说，“什么是真正的真理？”

无知是幸福。

20世纪20年代，“量子理论的哥本哈根解释”主要是由物理学家尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出的。它认为波函数只是预测观测结果的工具，并警告物理学家不要关心它背后的现实是什么样子。“你不能责怪大多数物理学家追随这种“闭嘴，擅长计算”的趋势，因为它已经给核物理、原子物理、固态物理和粒子物理带来了巨大的发展。”比利时鲁汶天主教大学的统计物理学家让·布里蒙特说，“因此，人们会说，让我们不要担心大问题。”

然而，一些物理学家仍然担心。20世纪30年代，阿尔伯特·爱因斯坦反驳了哥本哈根的解释，不仅因为它把两个粒子的波函数纠缠在一起，还因为一个粒子的测量结果可以立即确定另一个粒子的状态，即使这两个粒子相隔很远。爱因斯坦不接受这种“幽灵般的远摄效应”，但更愿意相信粒子的波函数是不完整的。他提出，也许粒子有某种“隐藏变量”，可以决定测量结果，但量子理论无法捕捉到。

从那以后，实验表明这种“幽灵般的远摄效应”是真实的，并且排除了爱因斯坦提出的隐藏变量的特定版本。然而，这并没有阻止其他物理学家提出他们自己的解释。这些解释分为两大阵营。那些同意爱因斯坦的人认为波函数代表了人类的无知。其他人认为波函数是实体。

要理解两者的区别，请看看奥地利物理学家欧文·薛定谔在1935年给爱因斯坦的信中描述的思维实验。试着想象一下，一只猫被锁在一个钢制盒子里，盒子里还有放射性物质的样本，一个小时内有50%的机会释放出衰变产物。与此同时，盒子里有一个装置，如果它检测到这种腐烂，就会毒死猫。薛定谔写道，由于放射性衰变是一个量子事件，根据量子理论的规则，盒子里的波函数在一个小时后必须是一只活猫和一只死猫的相等混合物。

然而，这正是争论的症结所在。量子理论的许多解释中，哪个是正确的？这是一个很难用实验方法回答的问题，因为不同模型之间的差别很小。

2011年，情况发生了变化。一个关于量子测量的定理已经发表，它似乎排除了“波函数是无知的”这一模型然而，仔细研究发现，上述定理最终为“波函数是无知的”模型留下了足够的空间。然而，它刺激物理学家认真思考通过真正测试波函数的真实性来解决争议的方法。马罗尼设计了一个原则上可行的实验。他和其他人很快找到了一种在实践中可行的方法。去年，昆士兰大学的物理学家安德魯·怀特和其他人进行了这项实验。

保持高度干燥

量子系统中也出现了类似的模糊性。例如，实验室中的单次测量并不总是能识别光子是如何偏振的。“在现实生活中，很容易区分西方和稍微偏南的西方。但在量子系统中，事情没那么简单。”怀特说。根据标准的“哥本哈根解释”，质疑什么是两极分化是没有意义的，因为这个问题没有答案。换句话说，至少要等到另一个测量结果能够准确地确定答案。然而，根据“波函数是无知的”模型，这个问题很有意义，只是因为实验没有得到足够的信息来回答它。

这正是费崔西的团队正在测试的。他们测量了一束光子的偏振和其他特性，发现了某种程度的重叠，这是“无知模型”无法解释的。这些结果支持另一种观点，即如果客观实体存在，那么波函数也是真实的。

然而，这个结论仍然不是牢不可破的，因为探测器只获得了测试中使用的大约五分之一的光子。研究小组不得不假设丢失的光子呈现出相同的模式。这是一个很大的假设，研究小组目前正试图消除采样间隔以产生清晰的结果。与此同时，牛津大学的马罗尼团队正与新南威尔士大学的团队合作，利用比光子更容易追踪的离子进行类似的测试。

平行世界

“波函数就是实体”的模型已经广为人知，深受科幻小说作家的喜爱:20世纪50年代，时任普林斯顿大学研究生的休·埃弗雷特(Hugh Everett)提出了“多重世界的解释”。在多重世界的图片中，波函数支配着实体的进化。影响是如此深远，以至于每当量子测量完成时，宇宙就会分裂成平行的“副本”换句话说，如果一个猫盒子被打开和关闭，两个平行的世界将会扩大，一个有一只活着的猫，另一个有一具尸体。

事实上，很难将埃弗雷特的“多重世界的解释”与标准量子理论区分开来，因为两者做出了完全相同的预测。然而，去年格里菲斯大学的霍华德·怀斯曼和他的同事提出了一个可测试的“多元宇宙模型”。他们的框架不包含波函数:粒子遵循经典原理，如牛顿运动定律。量子实验中的奇异效应是由平行宇宙中离子和它们的克隆体之间的排斥力引起的。"它们之间的这种排斥力产生了波及所有平行世界的涟漪."怀斯曼说。

通过使用计算机模拟多达41个相互作用的世界，他们发现这个模型可以粗略地复制一些量子效应，包括双缝实验中粒子的轨迹。随着世界数量的增加，相互干涉模型越来越接近标准量子理论预测的模型。怀斯曼说，由于该理论依赖于宇宙的数量来预测不同的结果，因此应该有可能设计一种方法来检查其多元宇宙模型是否正确。

由于怀斯曼模型不需要波函数，即使未来的测试排除了“无知模型”，它仍然是可行的。与此同时，“哥本哈根解释”等幸存模式认为不存在客观实体。

然而，怀特说，到那时，这将是最后的挑战。虽然没有人知道如何实现它，“真正令人兴奋的是设计一个测试来检查是否有任何客观的实体。”