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【科技在線】

量子世界的奇妙行為一直讓人們很開心。 量子物體是遵循明確的軌跡，還是像幽靈一樣通常沒有痕跡？ 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)典的直覺認(rèn)為，每個(gè)光子通過一個(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)為測量前問光子是波還是粒子沒有意義，只有測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奇怪，是因?yàn)槲覀儧]有充分理解其背后的客觀性。 他說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:“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，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。 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)光子要么通過上狹縫，要么通過下狹縫，不同時(shí)通過兩者。 在那些波浪的誘惑下，通過上狹縫的電子終于停在屏幕的上半部分，通過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器，告訴我們光子通過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)上部狹縫的探測器，終于停在過屏幕的下半部分。 盡管對(duì)該結(jié)果的正確性爭論頗多，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

現(xiàn)在斯坦伯格和同事們進(jìn)行了essw實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論說玻姆力學(xué)還沒死。

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)，無論相距多遠(yuǎn)，測量一方的偏振狀態(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，輕輕探測了其位置。 雖然每次測量只能給出一個(gè)近似值，但是通過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)的探測器作為探測器。 因?yàn)檫@些是糾纏光子，所以探測光子的偏振狀態(tài)應(yīng)該準(zhǔn)確地反映出其伙伴進(jìn)入設(shè)備時(shí)通過的狹縫。 事實(shí)上，在軌跡的最初階段，探測光子的偏振狀態(tài)確實(shí)反映了同伴經(jīng)過的路徑。

實(shí)驗(yàn)光子高速通過儀器期間，研究小組持續(xù)測量探針的光子狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)偏振狀態(tài)在持續(xù)變化。 例如，如果開始時(shí)探針的偏振方向?yàn)樗剑瑒t表示實(shí)驗(yàn)光子通過了底部的狹縫。 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，但表示檢測器不信任光子的檢測。

我看到了這個(gè)問題的處理，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:“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)問題的專家謝爾登·戈?duì)柎奶? sheldon goldstein )表示，即使通過實(shí)驗(yàn)觀測到玻姆力學(xué)所預(yù)言的粒子軌跡，也無法說明玻姆現(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碚搧碚f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)。 我說了因?yàn)槭钱惗恕?目前，對(duì)物理職業(yè)從業(yè)者來說，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。