量子力學(xué)不僅成功解釋了許多微觀世界中的奇妙現(xiàn)象, 而且在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。量子力學(xué)的理論核心之一就是利用波函數(shù)來描述微觀物體的量子狀態(tài)。然而盡管量子力學(xué)已有近百年的發(fā)展歷程, 但是波函數(shù)的本質(zhì)是什么依然是一個(gè)懸而未決的謎團(tuán)。最近的一項(xiàng)研究有助于我們揭開波函數(shù)的神秘面紗。
研究相關(guān)的論文題目為: “Realistic Interpretation of Quantum Mechanics and Encounter-Delayed-Choice Experiment”。該成果發(fā)表在2018年第3期的SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版)上, 由清華大學(xué)龍桂魯教授擔(dān)任第一和通訊作者撰寫。龍桂魯教授認(rèn)為描述微觀物體的波函數(shù)就是微觀物體的真實(shí)存在, 而不再僅僅是一種簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)描述手段, 也就是說, 微觀物體是以波函數(shù)的形式存在的。龍桂魯和合作者們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種巧妙的相遇延遲選擇實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地支持了這一觀點(diǎn)。這項(xiàng)研究為人們打開了一扇認(rèn)知神秘量子世界的大門。
目前, 在學(xué)術(shù)界存在多種對(duì)量子力學(xué)中波函數(shù)本質(zhì)的詮釋, 例如哥本哈根概率波理論、德布羅意導(dǎo)航波理論以及多世界理論等。其中根本哈根學(xué)派提出的概率波理論是一種較為傳統(tǒng)的詮釋, 該方案認(rèn)為波函數(shù)僅是一種數(shù)學(xué)函數(shù), 用來計(jì)算微觀物體在某一處出現(xiàn)的概率。然而這種對(duì)波函數(shù)的詮釋僅能夠用于描述物理現(xiàn)象, 而對(duì)于如何刻畫量子物體的具體存在形式卻力有不及。因此, 盡管量子力學(xué)發(fā)展已有百年, 但是對(duì)波函數(shù)本質(zhì)的認(rèn)知至今尚未完全統(tǒng)一。波函數(shù)的本質(zhì)問題就像是迷霧一般彌漫在人們眼前阻礙了對(duì)神秘量子世界的清晰認(rèn)識(shí)。
在該項(xiàng)研究中, 龍桂魯對(duì)波函數(shù)提出了一種實(shí)在詮釋, 認(rèn)為波函數(shù)是微觀物體的存在方式, 也就是說, 微觀物體以波函數(shù)的形式彌散在空間中, 同時(shí)具有振幅和相位, 以小于或等于光速的速度傳播。波函數(shù)模的平方表示微觀物體在空間中的分布, 當(dāng)測(cè)量發(fā)生時(shí), 根據(jù)量子力學(xué)中的波函數(shù)塌縮假設(shè), 彌散在空間中的微觀物體會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的塌縮, 此時(shí)微觀物體表現(xiàn)出粒子性。而由相位也即相干性引起的波函數(shù)干涉相長(zhǎng)和相消又使得微觀物體在空間中的分布形式發(fā)生變化, 從而使得微觀物體能夠表現(xiàn)出波動(dòng)性。這種詮釋不僅能夠像傳統(tǒng)的哥本哈根詮釋一樣可以描述物理現(xiàn)象, 而且很好地刻畫了微觀物體在空間中的實(shí)際存在形式, 以及測(cè)量或其他操作對(duì)這種存在形式的影響。
此外, 為了支持波函數(shù)的實(shí)在詮釋, 研究者巧妙地設(shè)計(jì)了一個(gè)相遇延遲選擇實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上述實(shí)在詮釋, Mach–Zehnder干涉儀入口處的50:50分束器會(huì)將入射單光子的波函數(shù)分成分別沿干涉儀兩臂同時(shí)傳播的子波函數(shù)。一段時(shí)間之后, 這兩路子波函數(shù)會(huì)在干涉儀的出口處相遇。此時(shí), 我們?nèi)粼诔隹谔幰卜湃胍粋€(gè)50:50的分束器(如圖1(a)所示), 那么沒有經(jīng)過分束器的兩路子波函數(shù)就不會(huì)發(fā)生干涉, 表現(xiàn)粒子性。相反地, 經(jīng)過分束器的兩路子波函數(shù)卻會(huì)發(fā)生干涉, 表現(xiàn)波動(dòng)性。單光子的波函數(shù)也即空間存在形式因而發(fā)生改變(如圖1(b)所示)。研究者獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地符合了波函數(shù)實(shí)在詮釋預(yù)言的理論結(jié)果, 有力地支持了這一觀點(diǎn)。
(a) 表示當(dāng)兩路子波函數(shù)在干涉儀出口相遇時(shí)放入分束器; (b) 表示單光子空間形態(tài)因分束器導(dǎo)致的子波函數(shù)干涉而引起的變化。
這項(xiàng)研究提出的波函數(shù)實(shí)在詮釋, 將波函數(shù)看作是微觀物體的真是存在, 而不再是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)描述, 這打破了人們對(duì)波函數(shù)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí), 對(duì)于人們深刻理解量子規(guī)律, 進(jìn)一步探索微觀世界都具有重要意義。
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該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11474181), 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(No. 2011CB9216002), 與清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的資助。
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