小小油滴竟隱藏著如此大學(xué)問(wèn)。

2005年，一位在流體物理學(xué)家伊夫斯·庫(kù)代（Yves Couder）巴黎實(shí)驗(yàn)室工作的學(xué)生偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小油滴落在振動(dòng)的油浴表面時(shí)，它會(huì)反彈起來(lái)。而且，當(dāng)油滴反彈時(shí)，它會(huì)開始在液體表面上下跳動(dòng)。拿庫(kù)代的話說(shuō)，這些油滴是在“自己的波浪上沖浪”——在反彈時(shí)激起波浪，然后借助波浪傾斜的波形獲得推力，四處游走。

看著這些“沖浪”的水滴，庫(kù)代意識(shí)到，這不正是法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）構(gòu)想出的量子世界嗎？一個(gè)早已提出、但基本已被遺忘的構(gòu)想。

“導(dǎo)航波”理論

一個(gè)世紀(jì)以前，德布羅意拒絕放棄對(duì)“現(xiàn)實(shí)”的經(jīng)典理解，盡管首次粒子實(shí)驗(yàn)向大多數(shù)物理學(xué)家揭示，在量子尺度上，現(xiàn)實(shí)并不是看上去的那個(gè)樣子。當(dāng)時(shí)，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）提出了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)“哥本哈根解釋”，該解釋打破傳統(tǒng)，宣稱在量子尺度上，任何事物在被觀測(cè)之前都不是“真實(shí)的”。

一些板上釘釘?shù)默F(xiàn)實(shí)，比如粒子的位置，在被觀測(cè)前僅僅存在于概率當(dāng)中，由一個(gè)展開的概率波定義，一旦我們對(duì)粒子進(jìn)行了觀測(cè)，那個(gè)概率波就會(huì)神秘地坍縮成一個(gè)點(diǎn)，粒子會(huì)飛躍到此處，我們便看到了一個(gè)確定的現(xiàn)實(shí)。上世紀(jì)20年代，玻爾說(shuō)服大多數(shù)同時(shí)代人接受了概率宇宙的奇異性、自然固有的模糊性以及萬(wàn)事萬(wàn)物令人費(fèi)解的波粒二象性。

但有些物理學(xué)家并不認(rèn)同這種觀點(diǎn)，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和德布羅意就在其列。愛因斯坦認(rèn)為上帝不“擲骰子”；德布羅意則堅(jiān)稱，量子尺度上的所有事物都是完全正常且真實(shí)存在的。他構(gòu)想了一種量子理論，把光、電子和其他一切事物的波動(dòng)性和粒子性都視為清晰明確的現(xiàn)象。他的“導(dǎo)航波”理論認(rèn)為，粒子是具體實(shí)在的，始終擁有確定的位置，而且它們的運(yùn)動(dòng)是由真實(shí)存在的導(dǎo)航波引導(dǎo)，就像庫(kù)代實(shí)驗(yàn)中波浪推動(dòng)著不斷彈跳的油滴游走一樣。

法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意，攝于1929年。

然而，德布羅意無(wú)法確定導(dǎo)航波的物理性質(zhì)，而且他也難于將自己的描述擴(kuò)展到一個(gè)粒子以上。在著名的1927年索爾維會(huì)議上，一群杰出的科學(xué)家聚在一起，討論量子力學(xué)的意義，而玻爾更為激進(jìn)的觀點(diǎn)獲得了大家的認(rèn)可。

證偽

78年過(guò)后，當(dāng)巴黎實(shí)驗(yàn)室里的油滴開始彈跳時(shí)，德布羅意用以描述量子世界的導(dǎo)航波理論已幾乎被人遺忘。突然之間，庫(kù)代及其同事?lián)碛辛艘粋€(gè)“模擬系統(tǒng)”，得以對(duì)德布羅意的構(gòu)想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性地探索。

他們清楚地看到油滴表現(xiàn)出令人驚奇的量子式行為，比如，這些油滴只會(huì)穿過(guò)繞著油浴中心的特定“量子化”軌道，有時(shí)則會(huì)在軌道之間隨機(jī)跳躍，就像原子中的電子一樣。麻省理工學(xué)院和其他地方的實(shí)驗(yàn)室很快也進(jìn)行了彈跳油滴實(shí)驗(yàn)，一些人聲稱，他們看到了油滴隧穿障礙物的現(xiàn)象，而且，油滴還表現(xiàn)出了此前被認(rèn)為只屬于量子世界的其他行為。在沒(méi)有任何神秘事件發(fā)生的情況下就再現(xiàn)了量子現(xiàn)象，彈跳油滴實(shí)驗(yàn)不禁讓一些物理學(xué)家重燃起德布羅意的舊夢(mèng)，即把量子尺度的現(xiàn)實(shí)描述為由導(dǎo)航波和粒子組成，而非概率波和難解之謎。

然而，自2015年以來(lái)一系列有關(guān)彈跳油滴的研究成果粉碎了這一美夢(mèng)。

這些研究表明，庫(kù)代2006年完成的最令人震驚的類量子現(xiàn)象演示出了錯(cuò)。流體動(dòng)力學(xué)家保羅·米萊夫斯基（Paul Milewski）表示，“正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓我迷上了這個(gè)問(wèn)題。”在對(duì)這個(gè)所謂的“雙縫實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證時(shí)，研究人員得到的結(jié)果與庫(kù)代的初始結(jié)果是矛盾的，而且他們還表明，雙縫實(shí)驗(yàn)恰好能夠證偽彈跳油滴模擬系統(tǒng)和德布羅意的導(dǎo)航波量子力學(xué)理論。

丹麥技術(shù)大學(xué)流體物理學(xué)家托馬斯·玻爾，身后的照片是他的祖父、量子力學(xué)先驅(qū)尼爾斯·玻爾。

令人想不到的是，徹底推翻德布羅意理論的不是別人，正是尼爾斯·玻爾的孫子、流體物理學(xué)家托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）。

托馬斯是丹麥技術(shù)大學(xué)的教授，他小時(shí)候就喜歡思考祖父提出的謎題。七年前，托馬斯聽說(shuō)了庫(kù)代的彈跳油滴實(shí)驗(yàn)，立刻產(chǎn)生了興趣?！拔艺娴南肟纯磿?huì)不會(huì)有一種確定的量子力學(xué)?！彼谡劦阶约簽楹紊孀氵@一領(lǐng)域時(shí)說(shuō)?？紤]到他的家族歷史，托馬斯補(bǔ)充道，“或許我還感覺自己肩負(fù)著一些責(zé)任，我覺得自己真的應(yīng)該去研究一下它是不是真的?！?/p>

雙縫實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）說(shuō)，雙縫實(shí)驗(yàn)“不可能、絕不可能以任何經(jīng)典方式解釋”，他說(shuō)，雙縫實(shí)驗(yàn)“蘊(yùn)含著量子力學(xué)的核心。其實(shí)，它蘊(yùn)含了量子力學(xué)的唯一奧秘?！?/p>

量子力學(xué)的雙縫實(shí)驗(yàn)是什么？中國(guó)科技大學(xué)教授陸朝陽(yáng)曾經(jīng)在一場(chǎng)造就演講中做過(guò)生動(dòng)的解釋。點(diǎn)擊上方圖片觀看完整演講。

闡釋雙縫實(shí)驗(yàn)時(shí)，哥本哈根學(xué)派會(huì)援引量子的不確定性原理。他們辯稱，一顆粒子的軌跡無(wú)法確知，因此，它僅通過(guò)波函數(shù)的概率來(lái)詮釋。粒子先是像波一樣，同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)縫隙，并在屏障另一邊發(fā)生干涉，繼而，由于傳感器的存在，代表粒子可能落點(diǎn)的波函數(shù)就出現(xiàn)了“坍縮”。也就是說(shuō)，傳感器從眾多可能性中，選出了單一的“現(xiàn)實(shí)”。其中涉及很多問(wèn)題，既有科學(xué)的，也有哲學(xué)的；面對(duì)問(wèn)題，尼爾斯·玻爾喜歡提出更多的問(wèn)題作為回應(yīng)。

對(duì)德布羅意而言，要解釋雙縫實(shí)驗(yàn)，不一定要用到抽象而神秘的波函數(shù)坍縮。他設(shè)想了一種實(shí)在的粒子，凌駕于一種實(shí)在的導(dǎo)航波之上。雖然導(dǎo)航波會(huì)同時(shí)穿過(guò)雙縫，但粒子就像一根浮木，從其中一條縫隙穿出。到了另一邊，導(dǎo)航波相長(zhǎng)干涉的地方，就是粒子出現(xiàn)的地方，而導(dǎo)航波相消干涉的地方，就是粒子不會(huì)出現(xiàn)的地方。德布羅意始終沒(méi)有推導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)方程，來(lái)描述波-粒-雙縫之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。

“挺令人失望的”

但庫(kù)代和協(xié)作者伊曼紐爾·弗爾特（Emmanuel Fort）立刻著手使用彈跳的油滴開展了一項(xiàng)雙縫試驗(yàn)，并在2006年的《物理評(píng)論快報(bào)》中報(bào)告了震驚世人的結(jié)果。

庫(kù)代與弗爾特觀測(cè)了75個(gè)彈跳的油滴，讓它們通過(guò)雙縫屏障，并記錄下了相應(yīng)的軌跡。庫(kù)代和弗爾特認(rèn)為，在油滴的最后落點(diǎn)中，他們探測(cè)到了大致的條紋——一種類似干涉的紋理；而這似乎只可能來(lái)自導(dǎo)航波。雙縫干涉，這種被認(rèn)為“不可能以任何經(jīng)典方式解釋”的現(xiàn)象，就當(dāng)著大家的面發(fā)生了，毫無(wú)神秘性可言。

考慮到這對(duì)量子力學(xué)的潛在影響，流體動(dòng)力學(xué)家約翰·布希（John Bush）在麻省理工學(xué)院設(shè)立了彈跳油滴實(shí)驗(yàn)室，并引領(lǐng)他人進(jìn)入了這一領(lǐng)域。2011年，托馬斯·玻爾聽?zhēng)齑務(wù)摿怂慕Y(jié)果，后又圍繞這些實(shí)驗(yàn)，與布希進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的探討。他與同事、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家安德爾斯·安德森（Anders Andersen）組隊(duì)，對(duì)油滴展開深入研究?！拔覀儗?duì)雙縫實(shí)驗(yàn)著了迷。”安德森說(shuō)。

丹麥技術(shù)大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)家安德爾斯·安德森。他牽頭的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)航波導(dǎo)引下的彈跳油滴不會(huì)產(chǎn)生雙縫干涉。

玻爾和安德森的丹麥團(tuán)隊(duì)、布希的麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)，以及量子物理學(xué)家赫爾曼·貝特蘭（Herman Batelaan）在內(nèi)布拉斯加大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，三個(gè)團(tuán)隊(duì)各自行動(dòng)，試圖復(fù)制彈跳油滴的雙縫實(shí)驗(yàn)。他們完善了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，去除了所有的氣流，并讓油滴乘著導(dǎo)航波，向雙縫進(jìn)發(fā)，但沒(méi)有一支團(tuán)隊(duì)看到類似干涉的紋理。油滴幾乎直線穿過(guò)雙縫，并未產(chǎn)生條紋。庫(kù)代和弗爾特的謬誤被歸咎于噪音、方法缺陷，以及數(shù)據(jù)不充分。

“于我而言，雙縫實(shí)驗(yàn)挺讓人失望的?！爆F(xiàn)任巴斯大學(xué)數(shù)學(xué)系主任的米萊夫斯基說(shuō)。

今年早些時(shí)候，布希發(fā)表了詳細(xì)的雙縫研究結(jié)果，未找到任何干涉跡象，但他依然認(rèn)為，要是能找到適當(dāng)?shù)膮?shù)組合，導(dǎo)航波仍有可能生成干涉條紋。這或許是要調(diào)整油浴的振動(dòng)頻率，或是增加必不可少的噪音。米萊夫斯基也有同樣的期望。不過(guò)，丹麥團(tuán)隊(duì)在論文中除了闡明他們未發(fā)現(xiàn)雙縫干涉結(jié)果，還提出了一項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)。而這項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)，似乎徹底擊垮了德布羅意的導(dǎo)航波設(shè)想。

在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)版雙縫實(shí)驗(yàn)中，粒子在抵達(dá)雙縫屏障之前，先要經(jīng)過(guò)一堵隔墻。粒子必須從墻的其中一邊經(jīng)過(guò)。在標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中，這堵墻再長(zhǎng)，都不會(huì)有任何影響，因?yàn)?，代表粒子可能路徑的波函?shù)會(huì)同時(shí)經(jīng)過(guò)墻的兩邊，同時(shí)穿過(guò)雙縫，并發(fā)生干涉。但在德布羅意的設(shè)想中，以及在彈跳油滴實(shí)驗(yàn)中，粒子作為驅(qū)使這一切的力量，只能從墻的一邊經(jīng)過(guò)，與墻另一邊的導(dǎo)航波失去聯(lián)系。失去了粒子或油滴的維系，波前沒(méi)來(lái)得及抵達(dá)狹縫，就已經(jīng)渙散了，因此，也不會(huì)有干涉條紋。丹麥團(tuán)隊(duì)還通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。

托馬斯·玻爾修改了著名的雙縫實(shí)驗(yàn)，粒子在抵達(dá)雙縫屏障之前，先要經(jīng)過(guò)一堵隔墻，粒子必須從墻的其中一邊經(jīng)過(guò)。按照量子力學(xué)的預(yù)測(cè)，對(duì)于最后的雙縫干涉條紋，這堵墻不會(huì)產(chǎn)生影響。然而，按照導(dǎo)航波理論，這堵墻會(huì)阻止干涉的發(fā)生。

至于為什么繼續(xù)研究彈跳油滴，布希是這樣解釋的：“我一直都不看好思想實(shí)驗(yàn)。油滴實(shí)驗(yàn)的好處就在于，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是可以操作的?！比欢?，加了隔墻的思想實(shí)驗(yàn)用簡(jiǎn)單明了的形式，凸顯出德布羅意概念的內(nèi)在問(wèn)題。若“量子現(xiàn)實(shí)”源于粒子與導(dǎo)航波的局域互動(dòng)，那么，量子的對(duì)稱性就蕩然無(wú)存，雙縫干涉等非定域量子現(xiàn)象也就無(wú)從談起。我們得有一個(gè)空靈的、非定域的波函數(shù)，能在任何墻的任意一邊無(wú)障礙傳播?！耙@得真正的量子力學(xué)結(jié)果，粒子的路徑可能是帶有平權(quán)（democratic）屬性的，這一點(diǎn)十分重要?！蓖旭R斯·玻爾說(shuō)。但依照導(dǎo)航波設(shè)想，“在這些實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)航波的一邊載有粒子，另一邊不載粒子，你永遠(yuǎn)也得不到你想要的結(jié)果。你打破了量子力學(xué)中極為重要的對(duì)稱性?！?/p>

科學(xué)家的個(gè)人偏好問(wèn)題？

專家們指出，德布羅意的理論，其最簡(jiǎn)單的版本必然是錯(cuò)的。在描述由相應(yīng)導(dǎo)航波引導(dǎo)的粒子時(shí)，德布羅意沒(méi)有解釋多個(gè)相互作用的粒子如何“糾纏”，也沒(méi)有用一個(gè)簡(jiǎn)單的、聯(lián)合的、非定域的波函數(shù)來(lái)加以定義（由于存在這種函數(shù)關(guān)系，粒子之間即便遠(yuǎn)隔數(shù)光年，它們的屬性仍然相關(guān)）。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們對(duì)糾纏光子的實(shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)肯定是非定域的。如果從一個(gè)粒子增加到兩個(gè)粒子，把非定域糾纏納入考慮，那么粒子及其導(dǎo)航波之間的定域性相互作用理論就會(huì)變得更加古怪，德布羅意的理論就是如此。

在家中的一塊黑板前，尼爾斯·玻爾看著兒子奧格·玻爾運(yùn)算公式，他的孫子托馬斯·玻爾悄悄湊了過(guò)來(lái)。

直到1987年去世前，德布羅意一直對(duì)有關(guān)非定域性和糾纏的觀點(diǎn)心存懷疑。他始終認(rèn)為，真正的導(dǎo)航波會(huì)以某種方式，導(dǎo)致必然的遠(yuǎn)距離聯(lián)系。這個(gè)怪異的觀點(diǎn)可能會(huì)頑固地存留至今，也得到了某些彈跳油滴實(shí)驗(yàn)者的擁護(hù)，但就單粒子而言，導(dǎo)航波連雙縫干涉都無(wú)法形成，因此這一觀點(diǎn)像一個(gè)被仔細(xì)審查的波函數(shù)一樣，轟然坍塌了。

早些時(shí)候，德布羅意確實(shí)針對(duì)自己的理論提出過(guò)一個(gè)折中版本，物理學(xué)家戴維·玻姆（David Bohm）在1952年再次加以詮釋，現(xiàn)在稱為玻姆力學(xué)或者德布羅意-玻姆理論。該理論認(rèn)為，有一個(gè)貫穿空間的抽象波函數(shù)（和哥本哈根解釋中的波函數(shù)一樣顯得高深莫測(cè)），空間中存在真實(shí)的粒子。20世紀(jì)70年代的證據(jù)顯示，德布羅意-玻姆理論和標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)作出了完全相同的預(yù)測(cè)。

然而，考慮到經(jīng)典現(xiàn)實(shí)的一個(gè)元素（有形粒子），新的問(wèn)題出現(xiàn)了。比如，在空間中無(wú)處不在的數(shù)學(xué)波函數(shù)是如何在某些地方跟實(shí)體粒子產(chǎn)生聯(lián)系的？為什么會(huì)這樣？“從那個(gè)角度來(lái)看，量子力學(xué)仍然顯得十分奇怪?！蓖旭R斯·玻爾說(shuō)。大多數(shù)物理學(xué)家持相同看法，但這其實(shí)只是個(gè)人偏好問(wèn)題，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)性預(yù)測(cè)是相同的。

尼爾斯·玻爾斷定，如果從量子層面看，大自然將顯得奇怪至極。

托馬斯·玻爾認(rèn)為，祖父之所以這么想，是因?yàn)樗钪匾奈锢韺W(xué)研究：他在1913年對(duì)氫原子電子能級(jí)的計(jì)算。玻爾發(fā)現(xiàn)，電子在軌道之間躍遷時(shí)，會(huì)釋放量子化的光包，沒(méi)有哪種力學(xué)理論能合理地解釋這一現(xiàn)象。他無(wú)法把電子的能級(jí)與電子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。就連因果關(guān)系都說(shuō)不通，因?yàn)樵谲S遷之前，電子似乎就知道它們將落在哪里，從而發(fā)出能量合適的光子?！八苍S比大多數(shù)人更明白，整件事有多么奇怪?！蓖旭R斯·玻爾說(shuō)，“只不過(guò)，他思想上有準(zhǔn)備，他知道自然有可能就是這么奇怪，相比之下，大多數(shù)人并沒(méi)有做好準(zhǔn)備?！?/p>

過(guò)去幾年，托馬斯常常在想，祖父會(huì)如何看待彈跳油滴實(shí)驗(yàn)?！拔矣X得他會(huì)非常感興趣?！彼χf(shuō)道，“他可能會(huì)比我更快地厘清自己的想法。他會(huì)認(rèn)為這十分巧妙，因?yàn)槟憧梢陨蛇@樣一個(gè)系統(tǒng)，它和德布羅意所說(shuō)的東西竟然如此接近?！?/p>

翻譯 ：雁行 何無(wú)魚 于波

審校：Lily