@ 2016.05.23 , 06:27

我们对双缝实验的理解可能是错的

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(Olena Shmahalo)

量子力学中那么多读不懂的概念中,最让人迷糊的可能要数“粒子在不被观察时没有确定的位置”。以哥本哈根诠释诠释为首的正统量子力学却偏偏试图让我们相信,粒子存在于被一种叫做波函数的数学架构所确定的概率云中。波函数自身又不断演化,在一种叫做薛定谔方程的东西的制约下随着时间变化。

数学算得清楚:波函数会在观察时“坍缩”,那时我们才能确定例子的真实位置。但许多科学家不喜欢这种观点。爱因斯坦就曾经发问:是不是只有你看它的时候,月亮才会存在?

但有另外一种同样有着近百年的历史的解释,宣称粒子始终拥有确定的位置。这种解释被称为导航波理论(pilot-wave theory)或玻姆力学(Bohmian mechanics)。它从未获得与哥本哈根诠释相当的重视。但今年早些时候(《环球科学》曾作报道), 一组加拿大的研究者进行的实验或许改变了我们对这种奇异理论的看法。

粒子,你在哪里

导航波理论最早在1927年由德布罗意(Louis de Broglie)提出。玻姆(David Bohm)在1952年开始接手,一直研究到1992年离世。(因此该理论也被称为德布罗意-玻姆理论。)它与玻尔(Niels Bohr)的哥本哈根诠释试图解决的是同一个问题。人们常用双缝实验来展现这个问题。费曼就曾说过,双缝实验“处于量子力学的中心”,“不可能,完全不可能用经典力学来进行解释。”

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当光同时射向侦测屏前的两条狭缝,会出现波一样的干涉图样(上)。但当粒子一个接一个射向侦测屏时,似乎每个粒子都同时通过了两条狭缝(下),带有波的性质。(Akira Tonomura/Creative Commons)

德布罗意同样设计了由薛定谔方程决定的波函数。但在那之外,有个“导航波函数”,或“引导方程”(guiding equation),决定了粒子真实确定的位置。如果知道波函数,又有了系统的初始状态,那就能计算出粒子在未来任何一刻的确定位置。

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乘波踏浪

这听起来可能像是一种回到经典力学的倒退,但二者截然不同。经典力学有着定域性(locality):物体只能直接或通过某种场来影响周围的物体。但量子尺度下的玻姆力学建立在非定域的波函数上。波函数没有地理上的限制:理论上可以横跨整个宇宙。

于是在波姆力学里,依赖着随时间演化的波函数,如果我们能知晓某一时刻宇宙中所有粒子的具体状态,我们就能计算出整个宇宙的未来。

索尔维会议上,爱因斯坦反驳了玻尔的不确定性——“上帝不掷骰子”。但他同样没有支持德布罗意的观点。到了1932年,冯·诺依曼(John von Neumann)在用德语写下的论文中自称证明了量子力学中的“隐变量”(hidden variables)不存在。在该计算被证伪前的三十多年里,大多数物理学家没读过原文翻译就放弃了导航波理论。玻姆在1952年的尝试也没能将导航波理论救活。

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1927年的第五届索尔维会议,29位参会者中有17位诺奖得主。德布罗意(中排右三)提出了导航波理论,但玻尔(中排右一)的哥本哈根诠释占了上风。

北爱尔兰物理学家John Stewart Bell展示了自己对导航波理论的支持,却被许多业内专家误解为展现隐变量的不可能。到了现在,正统量子力学中的概率论公式已经与爱因斯坦的狭义相对论所结合,发展出了宏大又精细的标准模型。驾驭量子世界的不确定性已经成为了物理学家的信条,导航波理论再也没有被写入教科书中。

亚原子现实

1992年,一篇以作者姓氏首字母命名的“ESSW”论文更是给了导航波理论沉重一击。在该论文的双缝实验中,通过左狭缝的中子会被记录为从右狭缝通过。多伦多大学物理学家Aephraim Steinberg感言:“这伤害了我对波姆力学的爱。”

二十多年后,Steinberg和他的同事们终于找到了反攻的机会。在《科学》子刊Science Advances上发表的一篇论文中,他们发现,例子确实会展现出这样看似“超自然”(surreal)的运动轨迹。可一旦考虑到波姆力学中的非定域性,这样的特性就很好理解。

原文摘要:Experimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories

研究者们在大量实验后发现,对于两颗处于纠缠态的中子,第二颗中子的轨迹中含有了第一颗的信息。因为两颗中子互相影响,相比之下第一颗中子的轨迹就显得离奇。波姆力学预见了这样轨迹的存在。一些MIT和法国近年的研究也给出了不同角度的支持。Steinberg表示:“没有什么真正冲突的地方。你只是得时刻考虑非定域性,不然你就会错过很重要的东西。”

比光速还快

回到历史的长河里,爱因斯坦活着看见了玻姆对德布罗意设想的拯救。但他仍瞧不起这种把事情看得过于简单的理论。在1952年给玻恩(Max Born)的信中,他写道

你注意到玻姆相信(其实德布罗意在25年前也相信)他能用确定性的方式诠释量子理论了吗?对我来说这有点太不费力了。当然,你在这事上比我更有资格判断。

即便是对于那些坚信玻姆力学的人,还是有些问题没能得到解答。首先是该理论涉及的超光速作用与狭义相对论似乎产生了矛盾。导航波深深依赖于非定域性。两个粒子之间的相互作用关系一旦建立就永远无法消除,即便二者之间隔着整个宇宙的距离。现代物理学尚未能对量子纠缠与超光速通信关系解释清楚。

“宇宙似乎是在以超过光速的速度与自己对话,”Steinberg说,“我能理解宇宙中没有什么东西能快过光速,但在这个内部工作超过光速的世界里,我们却不能在宏观尺度上利用这些特性,就真的说不过去了。”

本文译自 Quanta Magazine 1, 2,由译者 zzjeff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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