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【科技在線】量子世界的奇妙行為一直讓人們很開(kāi)心。 量子物體是遵循明確的軌跡,還是像幽靈一樣通常沒(méi)有痕跡? 經(jīng)典的哥本哈根解釋認(rèn)為跟蹤量子物體的軌跡沒(méi)有意義,但最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了自另一個(gè)理論提出以來(lái)一直被遺忘、沉寂了64年的玻姆量子力學(xué)理論可能正在迎來(lái)復(fù)興。 如果那個(gè)成立的話,就會(huì)支持和哥本哈根解釋完全不同的觀點(diǎn)。 所有粒子都有明確的軌跡,幽靈通常的波函數(shù)不是自然的本質(zhì)。
量子世界的行為困擾著物理學(xué)家將近一個(gè)世紀(jì)。 與機(jī)械表具有性和愉快的可預(yù)測(cè)性的經(jīng)典世界不同,量子世界充滿了隨機(jī)性。
的實(shí)例是雙縫實(shí)驗(yàn)。 如果向兩個(gè)狹縫發(fā)射一束光子,經(jīng)典的直覺(jué)認(rèn)為,每個(gè)光子通過(guò)一個(gè)或另一個(gè)狹縫,擊中另一個(gè)屏幕,形成兩個(gè)條紋。 但是,實(shí)際進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),光子束在屏幕上形成明暗條紋交錯(cuò)的干涉圖案,就像每個(gè)光子像波浪一樣出現(xiàn),通過(guò)兩個(gè)狹縫一樣。
主流對(duì)這一行為的解釋稱為哥本哈根解釋,認(rèn)為測(cè)量前問(wèn)光子是波還是粒子沒(méi)有意義,只有測(cè)量后光子才坍縮成光還是粒子,具體取決于光還是粒子是什么屬性。 另一種解釋是多世界解釋,光子不是坍縮的,它所存在的世界隨著測(cè)量分裂成多個(gè)世界,光子的所有可能狀態(tài)都在某一個(gè)世界實(shí)現(xiàn),我們只注意到了某一個(gè)世界的一個(gè)結(jié)果。
在量子奇怪的外表下,有秩序的真實(shí)存在
但是,1952年大衛(wèi)·鮑姆( david bohm )提出,量子世界之所以看起來(lái)奇怪,是因?yàn)槲覀儧](méi)有充分理解其背后的客觀性。 他說(shuō)在量子特異性的表面下,現(xiàn)實(shí)其實(shí)是有秩序的。 加拿大多倫多大學(xué)的埃弗雷姆·斯坦伯格( aephraim steinberg )說(shuō):“這是一個(gè)非常明確的描述,意味著所有粒子都有明確的位置,并沿著特定的軌跡工作。
最近的許多實(shí)驗(yàn)表明,這種隱藏的現(xiàn)實(shí)并不存在。 但是,只排除了這些理論中的特定種類。 也就是說(shuō),假設(shè)隱藏在任何粒子后面的東西都是局域性的,不會(huì)受到遠(yuǎn)處什么的影響。 但是鮑姆認(rèn)為隱藏的是非局部的,在他的理論中,一切都由其他一切決定。 在玻姆的宇宙中,某個(gè)遙遠(yuǎn)星系發(fā)生的事情很快就會(huì)影響你。 無(wú)論其影響多么微弱,反之亦然。
回到電子是波還是粒子的討論上來(lái)。 玻姆的理論認(rèn)為電子是粒子,是波。 電子是具有明確軌跡的粒子,但這個(gè)軌跡由波控制,這個(gè)波由那個(gè)電子控制。 這個(gè)波也會(huì)受到其他粒子的影響,相反會(huì)改變電子的軌跡。
超現(xiàn)實(shí)粒子的軌跡
玻姆力學(xué)并不是被所有人認(rèn)可的。 1992年的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)似乎敲響了那喪鐘。 由四位作者姓氏首字母命名的essw實(shí)驗(yàn)在玻姆的理論下考慮了雙縫實(shí)驗(yàn)。
在玻姆力學(xué)中,一個(gè)光子要么通過(guò)上狹縫,要么通過(guò)下狹縫,不同時(shí)通過(guò)兩者。 在那些波浪的誘惑下,通過(guò)上狹縫的電子終于停在屏幕的上半部分,通過(guò)下狹縫的電子終于停在屏幕的下半部分。
在essw實(shí)驗(yàn)中,研究人員想象狹縫前面有檢測(cè)器,告訴我們光子通過(guò)了上部或下部的狹縫。 數(shù)學(xué)分解后,奇怪的事情變得明顯了。 光子啟動(dòng)上部狹縫的探測(cè)器,終于停在過(guò)屏幕的下半部分。 盡管對(duì)該結(jié)果的正確性爭(zhēng)論頗多,但物理學(xué)家承認(rèn)其存在,將其稱為超現(xiàn)實(shí)的軌跡。
鮑姆回來(lái)
現(xiàn)在斯坦伯格和同事們進(jìn)行了essw實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論說(shuō)玻姆力學(xué)還沒(méi)死。
他們用一對(duì)糾結(jié)的光子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 糾纏的光子密切相關(guān),無(wú)論相距多遠(yuǎn),測(cè)量一方的偏振狀態(tài)都會(huì)影響另一方的偏振狀態(tài)。 每對(duì)光子中的一個(gè)被傳送到類似雙縫裝置的設(shè)備。
光子是被上狹縫還是下狹縫誘導(dǎo),取決于其偏振狀態(tài)是垂直還是水平。 光子通過(guò)儀器時(shí),研究人員在維持其量子特征的基礎(chǔ)上,輕輕探測(cè)了其位置。 雖然每次測(cè)量只能給出一個(gè)近似值,但是通過(guò)跟蹤同一光子的大群,研究者們可以重建光子從狹縫到屏幕所經(jīng)歷的軌跡的集合。
另一個(gè)糾纏的光子留在雙縫儀器外,采用類似essw實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器作為探測(cè)器。 因?yàn)檫@些是糾纏光子,所以探測(cè)光子的偏振狀態(tài)應(yīng)該準(zhǔn)確地反映出其伙伴進(jìn)入設(shè)備時(shí)通過(guò)的狹縫。 事實(shí)上,在軌跡的最初階段,探測(cè)光子的偏振狀態(tài)確實(shí)反映了同伴經(jīng)過(guò)的路徑。
實(shí)驗(yàn)光子高速通過(guò)儀器期間,研究小組持續(xù)測(cè)量探針的光子狀態(tài),結(jié)果發(fā)現(xiàn)偏振狀態(tài)在持續(xù)變化。 例如,如果開(kāi)始時(shí)探針的偏振方向?yàn)樗?,則表示實(shí)驗(yàn)光子通過(guò)了底部的狹縫。 但是,當(dāng)實(shí)驗(yàn)光子到達(dá)屏幕時(shí),探測(cè)光子的偏振狀態(tài)變成了水平偏振光和垂直偏振光兩種狀態(tài)各重疊一半的狀態(tài)。 因此,何時(shí)看到檢測(cè)光子的偏振狀態(tài)將決定你是得到了關(guān)于同伴路徑的正確消息,還是誤入歧途。
真實(shí)的世界
研究小組認(rèn)為,這意味著實(shí)驗(yàn)光子的軌跡改變了探測(cè)器的偏振狀態(tài),符合玻姆關(guān)于非局域相互作用的觀點(diǎn),也能應(yīng)對(duì)essw思想實(shí)驗(yàn)提出的詰問(wèn)困難。 提出essw思想實(shí)驗(yàn)的研究者認(rèn)為光子有軌跡的假設(shè)有問(wèn)題,但斯坦伯格及其同事們認(rèn)為軌跡是真實(shí)的,但表示檢測(cè)器不信任光子的檢測(cè)。
我看到了這個(gè)問(wèn)題的處理,它再次喚起了我對(duì)玻姆力學(xué)的興趣,斯坦伯格說(shuō)要把它放回和其他量子力學(xué)解釋平等的位置。
倫敦大學(xué)貝克學(xué)院的物理學(xué)家巴西爾·希里( basil hiley )對(duì)該實(shí)驗(yàn)印象深刻,他說(shuō):“這是一種觀察量子非局域性的新方法,顯示了玻姆的地位。
但是,在新澤西州羅格斯大學(xué)研究量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題的專家謝爾登·戈?duì)柎奶? sheldon goldstein )表示,即使通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到玻姆力學(xué)所預(yù)言的粒子軌跡,也無(wú)法說(shuō)明玻姆現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的理論是正確的 因?yàn)槿魏温窂蕉伎梢杂闷渌碚搧?lái)說(shuō)明。
但是,戈?duì)柎奶挂脖硎?,新的?shí)驗(yàn)略有變化。 波姆力學(xué)誕生幾十年后,人們終于開(kāi)始有點(diǎn)認(rèn)真地看他的理論了。 他有一段時(shí)間甚至不能談那個(gè)。 我說(shuō)了因?yàn)槭钱惗恕?目前,對(duì)物理職業(yè)從業(yè)者來(lái)說(shuō),從事玻姆理論的相關(guān)從業(yè)者可能仍然很危險(xiǎn),但這可能已經(jīng)改變。
標(biāo)題:“量子世界的奇異性,或許只是個(gè)表象”
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