2021-11-08 17:58:10 来源:参考消息网 责任编辑:张威威
核心提示:我们喜欢认为,即使我们不看物体,它们也在那里。但一项旨在告诉我们宏观物体中是否存在量子怪异现象的实验,可能很快就推翻上述信念。

参考消息网11月8日报道 英国《新科学家》周刊11月6日一期发表题为《可以证明现实的量子实验并不存在》的文章,作者系托马斯·莱顿,文章称,有关量子力学的新的实验不仅是调查量子世界和经典世界之间是否存在硬边界,而且还在探索现实的真实本质。全文摘编如下:

这是一个关于森林中一棵树的古老哲学问题。如果它倒下时没人听到,它会发出声音吗?如果问量子物理学家,他们可能会说声音就在那儿——但你不能确定树就在那里。

长期以来,量子力学一直在以最小的速度拓展我们对现实的理解。在量子世界中,我们只能知道某物出现在一个或另一个地方的可能性——我们看到它,才认为有明确位置。这困扰着阿尔伯特·爱因斯坦。他说:“我喜欢想象月亮就在那里,即使我没有看着它。”

现在,一类新的实验正在检验爱因斯坦的信念,看看量子的古怪是否超越了夸克、原子和量子比特的微小世界,延伸到了桌子、椅子和卫星的日常世界。这些实验不仅是调查量子世界和经典世界之间是否存在硬边界,而且还在探索现实的真实本质。

颠覆爱因斯坦理论

1935年,爱因斯坦提出了一个思想实验,旨在揭示量子力学是一个不完整的现实理论,迟早会被取代。他与同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森一起设想了一对相互纠缠的粒子,这样无论对一个粒子做什么,都会立即影响另一个粒子。现在想象一下,将这些粒子放置在宇宙的两端,并进行相同的测量。乍一看,信息在粒子之间的传输速度似乎比光速还快。

爱因斯坦认为,这种“远距离的诡异行为”是如此荒谬,因此任何纠缠实验的结果都必须预先确定。物理学家约翰·贝尔也对量子力学的不明确的性质感到不适。1964年,他设计了一种数学方法来检验这一悖论,称为贝尔不等式。如果爱因斯坦和他的同事是对的,那么贝尔不等式就成立。

一次又一次的实验发现,贝尔不等式不成立。牛津大学的弗拉特科·韦德拉尔表示,如果你坚持认为现实的行为是经典物理的,而不是量子物理,那么为了解释量子纠缠和贝尔不等式的悖谬,“你必须假设某些事情发生得比光速更快”。以爱因斯坦为例:量子怪异是现实,否则信息就会突破宇宙的速度限制。

但这只是故事的一部分。贝尔不等式论证位置问题,即物体之间的空间很重要。它不能回答当你不看的时候月亮是否在那里的问题。实在论认为,粒子的位置、速度、能量和其他属性可以得到合理的定义,且对物体进行测量应该不会影响其未来的行为。相反,量子力学增加了不确定性和叠加态,这是许多可能的特性的混合,当进行测量时,这些特性就会崩塌。

你猜对了,宏观物体中的实在论叫做宏观实在论。当你观测月亮或用激光测量它有多远时,你不会改变它——至少,不是根据我们对世界的常识来改变。“宏观实在论是经典现实的最充分表达。”伦敦帝国理工学院的乔纳森·哈利韦尔说。

非侵入实验的局限

由安东尼·莱格特和阿努帕姆·加格于1985年提出的莱格特-加格不等式也在寻找测量之间的相关性,以判断是否遵守了量子规则或经典规则。近年来,第一批莱格特-加格不等式实验已经在从超导流体和光子到原子核和微小晶体的简单量子系统上进行。这些再次证明了微观世界是不真实的。莱格特-加格实验的诀窍在于确保它们是非侵入性的,这意味着需要有一种在不干扰粒子的情况下测量粒子的方法。

现在,是时候测试一些更大的东西了。奥地利维也纳大学的马库斯·阿恩特和他的同事们观察到了目前已知的以量子方式表现的最大的物质,他们正在进行一种不同的实验。2020年,他们使用了双狭缝装置,让物体一次穿过一个狭缝,观察它们是否像波一样形成干涉的图案,以表明蛋白质遵守量子规则。这种方法有其问题。当你在处理大型、复杂的物体时,它们的量子特性由于与周围环境相互作用而很快消失——这一现象被称为消相干。

莱格特-加格实验也同样棘手。它们有自己的消相干来源,但研究人员还必须找到在不干扰的情况下测量系统的方法。只有这样,你才能确定物体是否处于量子叠加状态。

不可能将大多数以非连续运动的量子系统拖入连续运动的经典世界。这使得我们很难在同一实验中检查量子物体和我们通常认为是经典的物体。但伦敦大学学院的理论家苏加托·博斯有一个计划。他建议使用一种可以超越经典和量子世界的实验装置。

他心目中的装置是一个简谐振子,包括一个困在井里的物体,像钟摆一样来回摆动。确切地说,它的振荡方式取决于它是否遵守量子规则或经典规则。由于理论上简谐振子的大小没有限制,博斯和他的合作者希望利用它向宏观世界迈进一步——使用质量是阿恩特团队测试对象10万倍的纳米晶体。

自从博斯和他的合作者在2018年提出这项实验以来,在捕获和冷却纳米晶体以避免消相干方面取得的进展,再加上新的精密激光加持,意味着这个想法现在可以实现。与英国南安普顿大学的实验学家亨德里克·乌尔布利希特合作,博斯计划对大约10亿个原子组成的纳米晶体进行测试。

直到最近,激光才变得足够敏锐,可以确定纳米晶体在哪一边振荡。较大的粒子由较小的波描述,因此对于这些纳米晶体,激光必须能够分辨出水分子大小的宽度。乌尔布利希特和博斯预计在未来六个月内出结果。如果这个实验违反了莱格特-加格不等式,它将打破宏观物体的实在论概念。

尽管如此,即使这是最终的结果,也很难让每个人相信量子世界已经延伸到了这一步。首先,莱格特-加格实验实际上检验了一个系统的运行是否符合经典;如果不是,就假定它以量子力学方式运行,但事实可能并非如此。另一个绊脚石是一系列漏洞,尽管该系统的运行是经典的,这些漏洞可能导致不符合莱格特-加格不等式。虽然测量应该是非侵入性的,但实际情况打开了所谓的不灵巧漏洞。

后量子时代将到来?

贝尔不等式的无漏洞检验直到2015年才发表,比贝尔最初的想法晚了半个世纪。即使是现在,目光敏锐的物理学家仍在不断指出这些实验设计中可能出现的新不足。乌尔布利希特承认,他们的实验也可能存在漏洞。

没有一项实验与量子力学相矛盾。而且,只要将系统与环境的消相干隔离开来,就没有理由认为量子怪异不适用于像月球这样大,甚至更大的物体。

但乌尔布利希特希望,这些实验可能会显示一堵任何量子系统都无法逾越的砖墙。量子世界和经典世界之间的这样一堵墙将拯救我们所知的现实,为我们的常识世界提供一种摆脱量子怪诞的方式。

牛津大学的基亚拉·马列托说,“无论你是否喜欢量子理论,找到与量子理论预测的偏差都是很棒的,因为这样我们就可以尝试寻找新的理论”。“人们感到沮丧的是,量子理论真的很善于通过实验来被证实。”

那么,当你不看的时候,月亮就在那里吗?或者森林里的那棵树是不是一开始就应该倒在那里的呢?随着莱格特-加格不等式的测试悄悄进入真正的宏观世界,答案越来越多地是否定的。

未来的莱格特-加格不等式甚至有可能不仅不符合经典世界的规则,而且还会打破迄今牢不可破的量子规则。“这会让你一窥后量子世界的面貌,”韦德拉尔说,“很难想象这会是什么样子,但我认为我们会发现更奇怪的东西。”

新科学家

英国《新科学家》周刊11月6日一期封面

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