物理學(xué)家使用馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)驗(yàn)證量子理論
圖片來(lái)源：意大利帕多瓦大學(xué)
近日，意大利科學(xué)家進(jìn)行的“奇怪”空間實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，正如量子力學(xué)所言，現(xiàn)實(shí)是你所選擇的。
物理學(xué)家早就知道，光量子或光子會(huì)像粒子或波一樣運(yùn)動(dòng)，而光量子呈現(xiàn)粒子性還是波動(dòng)性取決于對(duì)它們的測(cè)量方式。不過(guò)現(xiàn)在，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)從衛(wèi)星發(fā)射光量子初步證實(shí)了該結(jié)論。雖然實(shí)驗(yàn)中似乎錯(cuò)過(guò)了決定光量子呈現(xiàn)波動(dòng)性還是粒子性的時(shí)間點(diǎn)，但就在實(shí)驗(yàn)幾乎全部完成時(shí)，觀察者仍舊可以對(duì)其呈現(xiàn)形式做出選擇。研究人員說(shuō)，這種延遲選擇實(shí)驗(yàn)有可能幫助人們更好地探索量子理論和相對(duì)論之間的模糊邊際。
之前，其他研究者也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中證明了相同的反直覺效應(yīng)（與已有直觀認(rèn)知相反）。但曾參與過(guò)一次類似實(shí)驗(yàn)的法國(guó)帕萊索光學(xué)研究所物理學(xué)家Philippe Grangier提到，這項(xiàng)新研究表明，光量子的性質(zhì)在數(shù)千公里范圍內(nèi)仍未定義?！斑@也是一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)，能夠體現(xiàn)出該團(tuán)隊(duì)具備在太空中進(jìn)行量子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大能力?！彼f(shuō)。
光量子既可以呈現(xiàn)像子彈般的粒子態(tài)，又可以呈現(xiàn)蕩漾的波動(dòng)態(tài)，但它不能同時(shí)表現(xiàn)出這兩種特性——它究竟呈現(xiàn)哪種特性取決于實(shí)驗(yàn)者如何去測(cè)量它。早在20世紀(jì)70年代末期，著名理論物理學(xué)家John Archibald Wheeler就意識(shí)到，實(shí)驗(yàn)者甚至可以延遲做出這個(gè)選擇，直到光量子幾乎完全通過(guò)一些設(shè)備后，再做決定。這證明了光量子的行為不可預(yù)測(cè)。
Wheeler曾設(shè)想利用馬赫—曾德干涉儀一次一個(gè)地發(fā)送光子，這一方法強(qiáng)調(diào)了光的波動(dòng)性。借助一種鏡狀“分束器”，干涉儀會(huì)將進(jìn)入其中的光子的量子波分成兩半，并使這兩個(gè)波沿著相反方向行進(jìn)。
然后，第二個(gè)分束器再重新組合這兩個(gè)相互干涉的波，以將光子引流到檢測(cè)器中。哪個(gè)檢測(cè)器會(huì)被觸發(fā)取決于兩個(gè)路徑長(zhǎng)度的差異，這也正是預(yù)期中干涉波間通常會(huì)出現(xiàn)的情況。
移除第二個(gè)光束分離器，干涉不再存在。相反，第一個(gè)分束器發(fā)出的光量子就會(huì)像一個(gè)粒子一樣，必須采取其中一條路徑。而且，不論路徑長(zhǎng)度如何，這些光量子都會(huì)以相同的概率落在檢測(cè)器上。
Wheeler意識(shí)到，實(shí)驗(yàn)者甚至可以等到去除第二個(gè)分束器，直到光子通過(guò)第一個(gè)分束器后，再進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)斷言表明了一個(gè)奇怪結(jié)論，那就是當(dāng)下的選擇和決策竟然決定了過(guò)去的事件：光量子是分裂呈現(xiàn)波動(dòng)性還是通過(guò)單一路徑呈現(xiàn)粒子性。而量子理論假設(shè)光子直到測(cè)量之前都保持著波粒二象性，從而巧妙避開了這個(gè)問(wèn)題。
日前，由意大利帕多瓦大學(xué)的Francesco Vedovato和Paolo Villoresi領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，在意大利南部的馬泰拉激光測(cè)距天文臺(tái)使用1.5米長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們從數(shù)千公里外的衛(wèi)星上發(fā)射光量子并進(jìn)行測(cè)量。
Villoresi指出，在這樣遠(yuǎn)的距離上，物理學(xué)家不能讓光從兩條平行的路徑發(fā)出，因?yàn)槿绻@樣，擴(kuò)散光束將重疊及合并。于是，研究人員在地球上用具有不同長(zhǎng)度路徑的馬赫—曾德干涉儀發(fā)射光子。路徑長(zhǎng)度的差異會(huì)使單脈沖信號(hào)分為時(shí)間相差3.5納秒的兩個(gè)脈沖，然后再通過(guò)望遠(yuǎn)鏡向太空射出。
一旦脈沖返回，實(shí)驗(yàn)者就會(huì)將它們?cè)賹?dǎo)回干涉儀。該裝置可以消除時(shí)移，使得兩個(gè)脈沖信號(hào)重疊并且像波一樣相互干涉，或者使其倍增而不會(huì)互相干涉。當(dāng)然，物理學(xué)家必須選擇什么事情發(fā)生。當(dāng)脈沖首先離開干涉儀時(shí)，它們有不同的偏振。而為了消除時(shí)移，物理學(xué)家必須先使用非?？斓碾娮悠裢ㄟ^(guò)某種方式改變它們的偏振。如果要將時(shí)移加倍，他們只需保留其原本的偏振效應(yīng)即可。
當(dāng)實(shí)驗(yàn)者將脈沖信號(hào)重疊時(shí)，正如預(yù)期中的干涉波一樣，光量子將會(huì)以兩個(gè)不同的概率觸發(fā)不同的檢測(cè)器，這兩個(gè)不同的概率與衛(wèi)星后退速度有關(guān)。當(dāng)脈沖不能相互干涉時(shí)，無(wú)論衛(wèi)星的速度如何，光子都會(huì)像粒子一樣，以相同的概率觸發(fā)任意一個(gè)檢測(cè)器。該小組近日在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)文指出，實(shí)驗(yàn)中至關(guān)重要的是，物理學(xué)家會(huì)在光從衛(wèi)星發(fā)出后的10毫秒的往返行程中決定以何種方式進(jìn)行測(cè)量，但延遲做出的決定似乎再次及時(shí)地“反饋”了回去，從而決定了光子離開第一個(gè)分束器后將呈現(xiàn)何種性質(zhì)。
這場(chǎng)不同尋常的太空實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子力學(xué)中的一個(gè)觀點(diǎn)，即“現(xiàn)實(shí)”是可以由人們選擇的。
法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院物理學(xué)家Jean-Franois Roch說(shuō)，這次實(shí)驗(yàn)并不是對(duì)Wheeler觀點(diǎn)的最嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證。例如，為了觀測(cè)到跨越這么遠(yuǎn)距離而來(lái)的光，Villoresi和同事必須發(fā)射含有許多光子的脈沖，而不是Wheeler指定的單個(gè)光量子。不過(guò)，Roch認(rèn)為，這次實(shí)驗(yàn)仍可以算是成功將“量子光學(xué)”從實(shí)驗(yàn)室引入太空的一次顯著實(shí)例。
Roch還提到，延遲選擇實(shí)驗(yàn)可能有助于探索相對(duì)論與量子理論之間的界限。盡管嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)的這一效應(yīng)并沒有違反因果律，但由于提出由目前的衡量標(biāo)準(zhǔn)可以推斷出過(guò)去的結(jié)果，它仍然造成了一個(gè)懸而未決的悖論?！斑@綜合了量子力學(xué)和相對(duì)論，還基本沒有被研究過(guò)。”Roch說(shuō)，“因此這種實(shí)驗(yàn)或許可以成功探究出兩者之間的聯(lián)系。”
作者：張章
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