決定量子命運的實驗

一個世紀前德布羅意拒絕放棄對現實的古典理解,儘管第一次粒子實驗向大多數物理學家表明,在量子尺度上,現實並不像看上去的那樣。

德布羅意堅稱量子尺度上的一切都完全符合經典現實,他設計了量子方面的實驗,將波和粒子方面的光、電子視為完全有形的個體。先“導波”理論設想粒子總有確定位置,通過真實的先導波引導進入空間。然而德布羅意無法確定導波的物理性質,於是努力將描述擴展到多個粒子。

2005年巴黎流體物理學家伊夫·庫德實驗室的一名學生偶然發現,當微小油滴落在振動的油浴表面時,油滴會發生反彈。此外當液滴反彈時,開始在液體表面蹦蹦跳跳。庫德很快發現這些水滴“在自己的波浪上衝浪”,用他的話來說,它們彈跳時會踢起波浪,然後被波浪傾斜的輪廓推動。當庫德看著飛濺的油滴時,他意識到這恰恰符合了法國物理學家路易斯·德布羅意設計的量子世界的早期景象。


決定量子命運的實驗


說明:滴落在水面上的水滴粒子與水面碰撞後會發生反彈激起水波,然後被水波傾斜的輪廓推動前行。

78年後德布羅意對量子世界的第一波設想幾乎不為人所知,當時巴黎的油滴開始反彈。突然庫德和他的同事們設計出“模擬系統”,可以實驗性地探索德布羅意的想法。

他們發現液滴表現出了令人驚訝的量子性質,例如它們只是沿著特定的“量子化”軌道繞著液體槽中心移動,有時會像原子中的電子那樣在軌道之間隨意跳躍。麻省理工學院和其他地方很快湧現出彈跳液滴實驗室,人們看到液滴穿過障礙物,進行獨一無二的量子行為。在不帶任何神秘色彩的情況下再現量子現象的過程中,彈著點實驗重新點燃了一些物理學家對德布羅意夢想的研究,即量子尺度上的現實由導波和粒子組成,而不是由概率波和謎題組成。

但是,自2015年以後一系列的彈跳油滴發現粉碎了這個夢想。

被稱為“雙縫實驗”的重複運行與庫德最初結果相矛盾,並揭示了雙縫實驗是彈跳液滴類比和量子力學的導波斷裂點。

實驗中,粒子被射向阻擋層中的兩個縫隙,通過縫隙擊中遠處另一邊的傳感器(屏幕)。任何一個粒子的最終位置讓人驚訝(粒子位置很分散),但如果把許多粒子射向裂縫,就會看到條紋在它們被探測到的位置出現(發生干涉的位置),表明它們能去的地方和不能去的地方十分明顯。條狀圖案表明,每個粒子實際上都是一個波,當遇到被撕裂的阻擋層,並同時通過兩個狹縫,產生兩個會聚和干擾的波陣面,在某些地方形成波峰,在兩者之間相互抵消,每個粒子都會在這個奇怪的概率波波峰位置出現在傳感器中。當添加第二個傳感器並檢測每個粒子通過的是哪個縫隙時,干涉條紋就消失了,這一次粒子直接通過它們選擇的縫隙到達遠端傳感器上的點。

雙縫干涉,被認為無法用任何經典方式解釋。為了解釋雙縫實驗,哥本哈根科學家指出量子的不確定性,他認為每個粒子的軌跡都無法精確瞭解,因此只能通過波函數概率來定義。在穿過這兩條縫隙並干擾另一邊之後,代表粒子可能位置的波函數就會被傳感器“摺疊”,傳感器會從各種可能性中選擇一個單一現實。他設想了一個真正的粒子漂浮在導波上。粒子像浮木一樣穿過雙縫屏幕上的一個縫或另一個縫,就像導波穿過這兩個縫一樣。另一方面,粒子會到達導波的兩個波陣面相互干擾的地方,而不會到達它們相互抵消的地方。

在德布羅意的描述以及在彈射液滴實驗中,整個過程的驅動力——粒子只能向一個方向運動。沒有粒子或液滴的支持,波陣面在到達狹縫之前就消散了,而且沒有生成干涉圖樣,丹麥研究人員用計算機模擬驗證了這些論點。在解釋他繼續進行飛沫實驗的決定時,這種情況可以做實驗。但分界牆思想實驗以極其簡單的形式突出了德布羅意思想的內在問題。

德布羅意“先導波”思想對量子現象解釋存在的幾個問題:

1、量子(粒子)在空間傳遞過程中所依附地介質(比如水面)是什麼?

2、量子(粒子)在空間運動(比如,先導波推動粒子運動)的動力學原理是什麼?

3、先“導波”(空間中像波一樣振動的物質)的本質是什麼?

近代實驗反覆證明了量子違反現實的怪異行為,量子的波粒二象性、 不確定性、量子糾纏等現象普遍被當代物理學家所接受。


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