原標(biāo)題：量子物理學(xué)：到底什么是真的？——科學(xué)家開展一系列試驗探究量子怪誕性

　　一項試驗表明，油滴能被槽液中產(chǎn)生的波推動。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。圖片來源：Dan Harris/MIT

　　Owen Maroney擔(dān)心，物理學(xué)家將大半個世紀(jì)都花在了欺騙行當(dāng)上。

　　身為英國牛津大學(xué)物理學(xué)家的Maroney解釋說，自從他們在20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在很多個方向移動，或者同時順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。不過，Maroney認為，討論終究不是證據(jù)?！叭绻覀兏嬖V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?！?/p>

　　正是這種情懷讓Maroney和其他人開發(fā)出一系列新的試驗揭示波函數(shù)的本質(zhì)，而這種神秘實體是量子怪誕性的核心所在。在論文中，波函數(shù)只是一個簡單的數(shù)學(xué)對象。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，波函數(shù)使研究人員得以計算出在任何一個特定位置觀測到電子的幾率，或者電子自旋朝上或朝下的可能性有多大。然而，數(shù)學(xué)無法闡明波函數(shù)真正是什么。它是一種實體的東西？或者只是一個計算工具？

　　用來尋找答案的測試極其微細，并且尚未產(chǎn)生明確的答案。不過，研究人員對于答案將近持樂觀態(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題。一個粒子能否真的同時存在于很多地方？宇宙是否正在繼續(xù)把自己變成平行世界，而每個世界都擁有一個不同版本的我們？是否有客觀實體的東西存在？

　　“這些是每個人在某種情況下都曾問過的問題?！卑拇罄麃喞ナ刻m大學(xué)物理學(xué)家Alessandro Fedrizzi說，到底什么才是真正的事實？

　　無知是福

　　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。其認為波函數(shù)只不過是預(yù)言觀測結(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)實是什么樣子。“你無法責(zé)怪大多數(shù)物理學(xué)家遵從這種‘閉嘴，乖乖計算’的風(fēng)氣，因為它在核物理學(xué)、原子物理學(xué)、固態(tài)物理學(xué)和粒子物理學(xué)領(lǐng)域都帶來了巨大的發(fā)展。”比利時魯汶天主教大學(xué)統(tǒng)計物理學(xué)家Jean Bricmont說，“因此，人們會說，讓我們不要擔(dān)心大的問題?！?/p>

　　不過，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·愛因斯坦駁斥了“哥本哈根詮釋”，并不僅僅因為它使兩個粒子的波函數(shù)糾纏不清，產(chǎn)生了對于一個粒子的測量結(jié)果能瞬時決定另一個狀態(tài)的情形，即使這些粒子被很遠的距離分開。愛因斯坦并沒有接受這種“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，或許粒子擁有某種能決定測量結(jié)果但量子理論沒有捕捉到的“隱變量”。

　　從那以后，試驗表明，這種“幽靈般的超距作用”是真實的，其排除了愛因斯坦所提議的隱變量的特定版本。不過，這并未阻止其他物理學(xué)家提出自己的詮釋。這些詮釋分為兩個廣泛的陣營。那些贊同愛因斯坦的人認為，波函數(shù)代表了人類的無知。還有些人將波函數(shù)視為實體。

　　為理解兩者之間的區(qū)別，請看1935年奧地利物理學(xué)家Erwin Schrodinger在一封寫給愛因斯坦的信中所描述的思維實驗。試著想象一只貓被關(guān)在鋼制盒子中，而這個盒子還含有一種放射性物質(zhì)的樣品，后者有50%的幾率在一個小時內(nèi)釋放出一種衰變產(chǎn)物。同時，盒子里設(shè)有一個裝置，如果它檢測到這種衰變，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，在一個小時結(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，這正是爭論被卡住的地方。在量子理論的眾多詮釋中哪個是正確的，如果有的話？這是一個用試驗方法很難回答的問題，因為不同模型之間的差異非常細微。

　　2011年，情況發(fā)生了改變。一種關(guān)于量子測量的定理得以發(fā)表，而它似乎排除了“波函數(shù)是無知”的模型。不過，仔細研究發(fā)現(xiàn)，上述定理最終為“波函數(shù)是無知”模型留出了足夠的回旋空間。然而，它激發(fā)了物理學(xué)家認真思考通過真正測試波函數(shù)真實性解決爭論的方法。Maroney已設(shè)計出一項在原理上行得通的試驗。他和其他人很快找到了使其在實踐中可行的方法。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試驗。

　　孤立無援

　　一種類似的模棱兩可出現(xiàn)在量子系統(tǒng)中。例如，實驗室中的單一測量結(jié)果并不總是能辨別出光子是如何被極化的。“在實際生活中，很容易區(qū)分西面和西面稍偏南。但在量子系統(tǒng)中，并沒有這么簡單?！盬hite說。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的“哥本哈根詮釋”，質(zhì)疑什么是極化沒有任何意義，因為這個問題沒有答案?；蛘哒f，至少得等到另一個測量結(jié)果能精確地決定那個答案。不過，根據(jù)“波函數(shù)是無知”模型，這個問題非常有意義，只是因為試驗沒有獲得足夠信息來回答它。

　　這正是Fedrizzi團隊所測試的事情。他們在一束光子中測量了極化和其他特征，并且發(fā)現(xiàn)了無法被“無知模型”解釋的一定程度的重疊。研究結(jié)果支持另一種觀點，即如果客觀實體存在，那么波函數(shù)也是真實的。

　　不過，結(jié)論仍然不是牢不可破的，因為探測器獲得的只是測試中使用的約五分之一的光子。研究團隊不得不假定，丟失的光子正表現(xiàn)出相同的方式。這是一個很大的假設(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，Maroney在牛津大學(xué)的團隊正在同新南威爾士大學(xué)的一個小組合作，利用比光子更容易追蹤的離子開展類似測試。

　　平行世界

　　一種“波函數(shù)是實體”的模型已經(jīng)很出名，并且被科幻小說作家深愛：上世紀(jì)50年代由當(dāng)時還是普林斯頓大學(xué)研究生的Hugh Everett提出的“多個世界詮釋”。在多個世界的畫面中，波函數(shù)主宰著實體的演化。其影響是如此深遠，以至于無論何時量子測量完成，宇宙都會分裂為平行的“副本”。換句話說，打開關(guān)有貓的盒子，兩個平行世界將擴展出來，一個有一只活的貓，一個含有一具尸體。

　　其實，很難將Everett的“多個世界詮釋”同標(biāo)準(zhǔn)量子理論區(qū)分開來，因為兩者都作出了完全相同的預(yù)測。不過，去年，來自格里菲斯大學(xué)的Howard Wiseman和他的同事提出一種可測試的“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，比如牛頓的運動定律。量子實驗中看見的怪誕效應(yīng)之所以會產(chǎn)生，是因為平行宇宙中的離子及其克隆之間存在排斥力?！八鼈冎g的這種排斥力建立了在所有平行世界中傳播的漣漪?！盬iseman介紹說。

　　通過利用計算機模擬多達41個相互作用的世界，他們發(fā)現(xiàn)這種模型大致能復(fù)制一些量子效應(yīng)，包括雙縫實驗中粒子的軌跡。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)測的模式越來越接近。Wiseman表示，由于該理論依靠宇宙數(shù)量預(yù)測不同結(jié)果，因此應(yīng)該有可能設(shè)計出核驗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，即使未來的試驗排除了“無知模型”。同時幸存的還有諸如“哥本哈根詮釋”等那些認為沒有客觀實體存在的模型。

　　不過，White說，到那時，這將是最終的挑戰(zhàn)。盡管還沒有人知道如何實現(xiàn)它，“真正令人激動的是設(shè)計出檢驗事實上是否有任何客觀實體存在的測試”。