原標(biāo)題：量子物理學(xué)：到底什么是真的？——科學(xué)家開展一系列試驗(yàn)探究量子怪誕性
一項(xiàng)試驗(yàn)表明，油滴能被槽液中產(chǎn)生的波推動(dòng)。這促使物理學(xué)家重新思考類似事情使粒子表現(xiàn)得像波一樣的觀點(diǎn)。圖片來(lái)源：Dan Harris/MIT
Owen Maroney擔(dān)心，物理學(xué)家將大半個(gè)世紀(jì)都花在了欺騙行當(dāng)上。
身為英國(guó)牛津大學(xué)物理學(xué)家的Maroney解釋說(shuō)，自從他們?cè)?0世紀(jì)初發(fā)明量子理論后，就一直在討論它有多么奇怪，比如它如何使得粒子和原子同時(shí)在很多個(gè)方向移動(dòng)，或者同時(shí)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。不過(guò)，Maroney認(rèn)為，討論終究不是證據(jù)。“如果我們告訴公眾量子理論是怪誕的，就最好證明這是真的。否則，我們不是在研究科學(xué)，只是在黑板上解釋一些好玩的胡亂涂鴉而已。”
正是這種情懷讓Maroney和其他人開發(fā)出一系列新的試驗(yàn)揭示波函數(shù)的本質(zhì)，而這種神秘實(shí)體是量子怪誕性的核心所在。在論文中，波函數(shù)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)對(duì)象。物理學(xué)家用希臘字母Ψ表示，并且利用它描述粒子的量子行為。依靠試驗(yàn)，波函數(shù)使研究人員得以計(jì)算出在任何一個(gè)特定位置觀測(cè)到電子的幾率，或者電子自旋朝上或朝下的可能性有多大。然而，數(shù)學(xué)無(wú)法闡明波函數(shù)真正是什么。它是一種實(shí)體的東西？或者只是一個(gè)計(jì)算工具？
用來(lái)尋找答案的測(cè)試極其微細(xì)，并且尚未產(chǎn)生明確的答案。不過(guò)，研究人員對(duì)于答案將近持樂(lè)觀態(tài)度。如果真的是這樣，他們最終將能回答那些存在了幾十年的問(wèn)題。一個(gè)粒子能否真的同時(shí)存在于很多地方？宇宙是否正在繼續(xù)把自己變成平行世界，而每個(gè)世界都擁有一個(gè)不同版本的我們？是否有客觀實(shí)體的東西存在？
“這些是每個(gè)人在某種情況下都曾問(wèn)過(guò)的問(wèn)題。”澳大利亞昆士蘭大學(xué)物理學(xué)家Alessandro Fedrizzi說(shuō)，到底什么才是真正的事實(shí)？
無(wú)知是福
20世紀(jì)20年代，“量子論的哥本哈根詮釋”主要由物理學(xué)家Niels Bohr 和Werner Heisenberg提出。其認(rèn)為波函數(shù)只不過(guò)是預(yù)言觀測(cè)結(jié)果的一種工具，并且警告物理學(xué)家不要關(guān)心背后的現(xiàn)實(shí)是什么樣子。“你無(wú)法責(zé)怪大多數(shù)物理學(xué)家遵從這種‘閉嘴，乖乖計(jì)算’的風(fēng)氣，因?yàn)樗诤宋锢韺W(xué)、原子物理學(xué)、固態(tài)物理學(xué)和粒子物理學(xué)領(lǐng)域都帶來(lái)了巨大的發(fā)展。”比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)家Jean Bricmont說(shuō)，“因此，人們會(huì)說(shuō)，讓我們不要擔(dān)心大的問(wèn)題。”
不過(guò)，一些物理學(xué)家還是在擔(dān)心。到了20世紀(jì)30年代，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦駁斥了“哥本哈根詮釋”，并不僅僅因?yàn)樗箖蓚�(gè)粒子的波函數(shù)糾纏不清，產(chǎn)生了對(duì)于一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果能瞬時(shí)決定另一個(gè)狀態(tài)的情形，即使這些粒子被很遠(yuǎn)的距離分開。愛(ài)因斯坦并沒(méi)有接受這種“幽靈般的超距作用”，反而更偏向于相信粒子的波函數(shù)是不完整的。他建議說(shuō)，或許粒子擁有某種能決定測(cè)量結(jié)果但量子理論沒(méi)有捕捉到的“隱變量”。
從那以后，試驗(yàn)表明，這種“幽靈般的超距作用”是真實(shí)的，其排除了愛(ài)因斯坦所提議的隱變量的特定版本。不過(guò)，這并未阻止其他物理學(xué)家提出自己的詮釋。這些詮釋分為兩個(gè)廣泛的陣營(yíng)。那些贊同愛(ài)因斯坦的人認(rèn)為，波函數(shù)代表了人類的無(wú)知。還有些人將波函數(shù)視為實(shí)體。
為理解兩者之間的區(qū)別，請(qǐng)看1935年奧地利物理學(xué)家Erwin Schrodinger在一封寫給愛(ài)因斯坦的信中所描述的思維實(shí)驗(yàn)。試著想象一只貓被關(guān)在鋼制盒子中，而這個(gè)盒子還含有一種放射性物質(zhì)的樣品，后者有50%的幾率在一個(gè)小時(shí)內(nèi)釋放出一種衰變產(chǎn)物。同時(shí)，盒子里設(shè)有一個(gè)裝置，如果它檢測(cè)到這種衰變，將毒死這只貓。Schrodinger寫道，由于放射性衰變是一種量子事件，因此按照量子理論規(guī)則，在一個(gè)小時(shí)結(jié)束后，盒子內(nèi)部的波函數(shù)必須是活著的貓和死去的貓的等量混合。
不過(guò)，這正是爭(zhēng)論被卡住的地方。在量子理論的眾多詮釋中哪個(gè)是正確的，如果有的話？這是一個(gè)用試驗(yàn)方法很難回答的問(wèn)題，因?yàn)椴煌Ｐ椭g的差異非常細(xì)微。
2011年，情況發(fā)生了改變。一種關(guān)于量子測(cè)量的定理得以發(fā)表，而它似乎排除了“波函數(shù)是無(wú)知”的模型。不過(guò)，仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，上述定理最終為“波函數(shù)是無(wú)知”模型留出了足夠的回旋空間。然而，它激發(fā)了物理學(xué)家認(rèn)真思考通過(guò)真正測(cè)試波函數(shù)真實(shí)性解決爭(zhēng)論的方法。Maroney已設(shè)計(jì)出一項(xiàng)在原理上行得通的試驗(yàn)。他和其他人很快找到了使其在實(shí)踐中可行的方法。去年，F(xiàn)edrizzi、昆士蘭大學(xué)物理學(xué)家Andrew White和其他人開展了此項(xiàng)試驗(yàn)。
孤立無(wú)援
一種類似的模棱兩可出現(xiàn)在量子系統(tǒng)中。例如，實(shí)驗(yàn)室中的單一測(cè)量結(jié)果并不總是能辨別出光子是如何被極化的。“在實(shí)際生活中，很容易區(qū)分西面和西面稍偏南。但在量子系統(tǒng)中，并沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。”White說(shuō)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的“哥本哈根詮釋”，質(zhì)疑什么是極化沒(méi)有任何意義，因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題沒(méi)有答案。或者說(shuō)，至少得等到另一個(gè)測(cè)量結(jié)果能精確地決定那個(gè)答案。不過(guò)，根據(jù)“波函數(shù)是無(wú)知”模型，這個(gè)問(wèn)題非常有意義，只是因?yàn)樵囼?yàn)沒(méi)有獲得足夠信息來(lái)回答它。
這正是Fedrizzi團(tuán)隊(duì)所測(cè)試的事情。他們?cè)谝皇庾又袦y(cè)量了極化和其他特征，并且發(fā)現(xiàn)了無(wú)法被“無(wú)知模型”解釋的一定程度的重疊。研究結(jié)果支持另一種觀點(diǎn)，即如果客觀實(shí)體存在，那么波函數(shù)也是真實(shí)的。
不過(guò)，結(jié)論仍然不是牢不可破的，因?yàn)樘綔y(cè)器獲得的只是測(cè)試中使用的約五分之一的光子。研究團(tuán)隊(duì)不得不假定，丟失的光子正表現(xiàn)出相同的方式。這是一個(gè)很大的假設(shè)，而研究組目前正努力消除取樣間隔，以產(chǎn)生明確的結(jié)果。與此同時(shí)，Maroney在牛津大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在同新南威爾士大學(xué)的一個(gè)小組合作，利用比光子更容易追蹤的離子開展類似測(cè)試。
平行世界
一種“波函數(shù)是實(shí)體”的模型已經(jīng)很出名，并且被科幻小說(shuō)作家深愛(ài)：上世紀(jì)50年代由當(dāng)時(shí)還是普林斯頓大學(xué)研究生的Hugh Everett提出的“多個(gè)世界詮釋”。在多個(gè)世界的畫面中，波函數(shù)主宰著實(shí)體的演化。其影響是如此深遠(yuǎn)，以至于無(wú)論何時(shí)量子測(cè)量完成，宇宙都會(huì)分裂為平行的“副本”。換句話說(shuō)，打開關(guān)有貓的盒子，兩個(gè)平行世界將擴(kuò)展出來(lái)，一個(gè)有一只活的貓，一個(gè)含有一具尸體。
其實(shí)，很難將Everett的“多個(gè)世界詮釋”同標(biāo)準(zhǔn)量子理論區(qū)分開來(lái)，因?yàn)閮烧叨甲鞒隽送耆嗤念A(yù)測(cè)。不過(guò)，去年，來(lái)自格里菲斯大學(xué)的Howard Wiseman和他的同事提出一種可測(cè)試的“多元宇宙模型”。他們的框架不含有波函數(shù)：粒子遵循著經(jīng)典原則，比如牛頓的運(yùn)動(dòng)定律。量子實(shí)驗(yàn)中看見(jiàn)的怪誕效應(yīng)之所以會(huì)產(chǎn)生，是因?yàn)槠叫杏钪嬷械碾x子及其克隆之間存在排斥力。“它們之間的這種排斥力建立了在所有平行世界中傳播的漣漪。”Wiseman介紹說(shuō)。
通過(guò)利用計(jì)算機(jī)模擬多達(dá)41個(gè)相互作用的世界，他們發(fā)現(xiàn)這種模型大致能復(fù)制一些量子效應(yīng)，包括雙縫實(shí)驗(yàn)中粒子的軌跡。隨著世界數(shù)量的增加，相互干預(yù)模式同標(biāo)準(zhǔn)量子理論預(yù)測(cè)的模式越來(lái)越接近。Wiseman表示，由于該理論依靠宇宙數(shù)量預(yù)測(cè)不同結(jié)果，因此應(yīng)該有可能設(shè)計(jì)出核驗(yàn)其多元宇宙模型是否正確的方法。
由于Wiseman的模型不需要波函數(shù)，因此它將保持著可行性，即使未來(lái)的試驗(yàn)排除了“無(wú)知模型”。同時(shí)幸存的還有諸如“哥本哈根詮釋”等那些認(rèn)為沒(méi)有客觀實(shí)體存在的模型。
不過(guò)，White說(shuō)，到那時(shí)，這將是最終的挑戰(zhàn)。盡管還沒(méi)有人知道如何實(shí)現(xiàn)它，“真正令人激動(dòng)的是設(shè)計(jì)出檢驗(yàn)事實(shí)上是否有任何客觀實(shí)體存在的測(cè)試”。