參考消息網(wǎng)11月8日?qǐng)?bào)道英國(guó)《新科學(xué)家》周刊11月6日一期發(fā)表題為《可以證明現(xiàn)實(shí)的量子實(shí)驗(yàn)并不存在》的文章，作者系托馬斯·萊頓，文章稱，有關(guān)量子力學(xué)的新的實(shí)驗(yàn)不僅是調(diào)查量子世界和經(jīng)典世界之間是否存在硬邊界，而且還在探索現(xiàn)實(shí)的真實(shí)本質(zhì)。全文摘編如下：
這是一個(gè)關(guān)于森林中一棵樹的古老哲學(xué)問題。如果它倒下時(shí)沒人聽到，它會(huì)發(fā)出聲音嗎？如果問量子物理學(xué)家，他們可能會(huì)說聲音就在那兒——但你不能確定樹就在那里。
長(zhǎng)期以來(lái)，量子力學(xué)一直在以最小的速度拓展我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解。在量子世界中，我們只能知道某物出現(xiàn)在一個(gè)或另一個(gè)地方的可能性——我們看到它，才認(rèn)為有明確位置。這困擾著阿爾伯特·愛因斯坦。他說：“我喜歡想象月亮就在那里，即使我沒有看著它。”
現(xiàn)在，一類新的實(shí)驗(yàn)正在檢驗(yàn)愛因斯坦的信念，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、椅子和衛(wèi)星的日常世界。這些實(shí)驗(yàn)不僅是調(diào)查量子世界和經(jīng)典世界之間是否存在硬邊界，而且還在探索現(xiàn)實(shí)的真實(shí)本質(zhì)。
顛覆愛因斯坦理論
1935年，愛因斯坦提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，旨在揭示量子力學(xué)是一個(gè)不完整的現(xiàn)實(shí)理論，遲早會(huì)被取代。他與同事鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森一起設(shè)想了一對(duì)相互糾纏的粒子，這樣無(wú)論對(duì)一個(gè)粒子做什么，都會(huì)立即影響另一個(gè)粒子。現(xiàn)在想象一下，將這些粒子放置在宇宙的兩端，并進(jìn)行相同的測(cè)量。乍一看，信息在粒子之間的傳輸速度似乎比光速還快。
愛因斯坦認(rèn)為，這種“遠(yuǎn)距離的詭異行為”是如此荒謬，因此任何糾纏實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都必須預(yù)先確定。物理學(xué)家約翰·貝爾也對(duì)量子力學(xué)的不明確的性質(zhì)感到不適。1964年，他設(shè)計(jì)了一種數(shù)學(xué)方法來(lái)檢驗(yàn)這一悖論，稱為貝爾不等式。如果愛因斯坦和他的同事是對(duì)的，那么貝爾不等式就成立。
一次又一次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，貝爾不等式不成立。牛津大學(xué)的弗拉特科·韋德拉爾表示，如果你堅(jiān)持認(rèn)為現(xiàn)實(shí)的行為是經(jīng)典物理的，而不是量子物理，那么為了解釋量子糾纏和貝爾不等式的悖謬，“你必須假設(shè)某些事情發(fā)生得比光速更快”。以愛因斯坦為例：量子怪異是現(xiàn)實(shí)，否則信息就會(huì)突破宇宙的速度限制。
但這只是故事的一部分。貝爾不等式論證位置問題，即物體之間的空間很重要。它不能回答當(dāng)你不看的時(shí)候月亮是否在那里的問題。實(shí)在論認(rèn)為，粒子的位置、速度、能量和其他屬性可以得到合理的定義，且對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量應(yīng)該不會(huì)影響其未來(lái)的行為。相反，量子力學(xué)增加了不確定性和疊加態(tài)，這是許多可能的特性的混合，當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這些特性就會(huì)崩塌。
你猜對(duì)了，宏觀物體中的實(shí)在論叫做宏觀實(shí)在論。當(dāng)你觀測(cè)月亮或用激光測(cè)量它有多遠(yuǎn)時(shí)，你不會(huì)改變它——至少，不是根據(jù)我們對(duì)世界的常識(shí)來(lái)改變。“宏觀實(shí)在論是經(jīng)典現(xiàn)實(shí)的最充分表達(dá)。”倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的喬納森·哈利韋爾說。
非侵入實(shí)驗(yàn)的局限
由安東尼·萊格特和阿努帕姆·加格于1985年提出的萊格特-加格不等式也在尋找測(cè)量之間的相關(guān)性，以判斷是否遵守了量子規(guī)則或經(jīng)典規(guī)則。近年來(lái)，第一批萊格特-加格不等式實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在從超導(dǎo)流體和光子到原子核和微小晶體的簡(jiǎn)單量子系統(tǒng)上進(jìn)行。這些再次證明了微觀世界是不真實(shí)的。萊格特-加格實(shí)驗(yàn)的訣竅在于確保它們是非侵入性的，這意味著需要有一種在不干擾粒子的情況下測(cè)量粒子的方法。
現(xiàn)在，是時(shí)候測(cè)試一些更大的東西了。奧地利維也納大學(xué)的馬庫(kù)斯·阿恩特和他的同事們觀察到了目前已知的以量子方式表現(xiàn)的最大的物質(zhì)，他們正在進(jìn)行一種不同的實(shí)驗(yàn)。2020年，他們使用了雙狹縫裝置，讓物體一次穿過一個(gè)狹縫，觀察它們是否像波一樣形成干涉的圖案，以表明蛋白質(zhì)遵守量子規(guī)則。這種方法有其問題。當(dāng)你在處理大型、復(fù)雜的物體時(shí)，它們的量子特性由于與周圍環(huán)境相互作用而很快消失——這一現(xiàn)象被稱為消相干。
萊格特-加格實(shí)驗(yàn)也同樣棘手。它們有自己的消相干來(lái)源，但研究人員還必須找到在不干擾的情況下測(cè)量系統(tǒng)的方法。只有這樣，你才能確定物體是否處于量子疊加狀態(tài)。
不可能將大多數(shù)以非連續(xù)運(yùn)動(dòng)的量子系統(tǒng)拖入連續(xù)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典世界。這使得我們很難在同一實(shí)驗(yàn)中檢查量子物體和我們通常認(rèn)為是經(jīng)典的物體。但倫敦大學(xué)學(xué)院的理論家蘇加托·博斯有一個(gè)計(jì)劃。他建議使用一種可以超越經(jīng)典和量子世界的實(shí)驗(yàn)裝置。
他心目中的裝置是一個(gè)簡(jiǎn)諧振子，包括一個(gè)困在井里的物體，像鐘擺一樣來(lái)回?cái)[動(dòng)。確切地說，它的振蕩方式取決于它是否遵守量子規(guī)則或經(jīng)典規(guī)則。由于理論上簡(jiǎn)諧振子的大小沒有限制，博斯和他的合作者希望利用它向宏觀世界邁進(jìn)一步——使用質(zhì)量是阿恩特團(tuán)隊(duì)測(cè)試對(duì)象10萬(wàn)倍的納米晶體。
自從博斯和他的合作者在2018年提出這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以來(lái)，在捕獲和冷卻納米晶體以避免消相干方面取得的進(jìn)展，再加上新的精密激光加持，意味著這個(gè)想法現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)。與英國(guó)南安普頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)學(xué)家亨德里克·烏爾布利希特合作，博斯計(jì)劃對(duì)大約10億個(gè)原子組成的納米晶體進(jìn)行測(cè)試。
直到最近，激光才變得足夠敏銳，可以確定納米晶體在哪一邊振蕩。較大的粒子由較小的波描述，因此對(duì)于這些納米晶體，激光必須能夠分辨出水分子大小的寬度。烏爾布利希特和博斯預(yù)計(jì)在未來(lái)六個(gè)月內(nèi)出結(jié)果。如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)違反了萊格特-加格不等式，它將打破宏觀物體的實(shí)在論概念。
盡管如此，即使這是最終的結(jié)果，也很難讓每個(gè)人相信量子世界已經(jīng)延伸到了這一步。首先，萊格特-加格實(shí)驗(yàn)實(shí)際上檢驗(yàn)了一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是否符合經(jīng)典；如果不是，就假定它以量子力學(xué)方式運(yùn)行，但事實(shí)可能并非如此。另一個(gè)絆腳石是一系列漏洞，盡管該系統(tǒng)的運(yùn)行是經(jīng)典的，這些漏洞可能導(dǎo)致不符合萊格特-加格不等式。雖然測(cè)量應(yīng)該是非侵入性的，但實(shí)際情況打開了所謂的不靈巧漏洞。
后量子時(shí)代將到來(lái)？
貝爾不等式的無(wú)漏洞檢驗(yàn)直到2015年才發(fā)表，比貝爾最初的想法晚了半個(gè)世紀(jì)。即使是現(xiàn)在，目光敏銳的物理學(xué)家仍在不斷指出這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的新不足。烏爾布利希特承認(rèn)，他們的實(shí)驗(yàn)也可能存在漏洞。
沒有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與量子力學(xué)相矛盾。而且，只要將系統(tǒng)與環(huán)境的消相干隔離開來(lái)，就沒有理由認(rèn)為量子怪異不適用于像月球這樣大，甚至更大的物體。
但烏爾布利希特希望，這些實(shí)驗(yàn)可能會(huì)顯示一堵任何量子系統(tǒng)都無(wú)法逾越的磚墻。量子世界和經(jīng)典世界之間的這樣一堵墻將拯救我們所知的現(xiàn)實(shí)，為我們的常識(shí)世界提供一種擺脫量子怪誕的方式。
牛津大學(xué)的基亞拉·馬列托說，“無(wú)論你是否喜歡量子理論，找到與量子理論預(yù)測(cè)的偏差都是很棒的，因?yàn)檫@樣我們就可以嘗試尋找新的理論”?！叭藗兏械骄趩实氖?，量子理論真的很善于通過實(shí)驗(yàn)來(lái)被證實(shí)?！?/p>
那么，當(dāng)你不看的時(shí)候，月亮就在那里嗎？或者森林里的那棵樹是不是一開始就應(yīng)該倒在那里的呢？隨著萊格特-加格不等式的測(cè)試悄悄進(jìn)入真正的宏觀世界，答案越來(lái)越多地是否定的。
未來(lái)的萊格特-加格不等式甚至有可能不僅不符合經(jīng)典世界的規(guī)則，而且還會(huì)打破迄今牢不可破的量子規(guī)則?！斑@會(huì)讓你一窺后量子世界的面貌，”韋德拉爾說，“很難想象這會(huì)是什么樣子，但我認(rèn)為我們會(huì)發(fā)現(xiàn)更奇怪的東西?！?/p>
英國(guó)《新科學(xué)家》周刊11月6日一期封面
來(lái)源：參考消息網(wǎng)
聯(lián)系客服
