你在或不在，我就在這(zhè)裏”——中國科學家巧設實驗诠釋量子力學波函數真實存在

“你在或不在，我就在這(zhè)裏”——中國科學家巧設實驗诠釋量子力學波函數真實存在

“你在或不在，我就在這(zhè)裏”——中國科學家巧設實驗诠釋量子力學波函數真實存在

量子力學是與相對(duì)論比肩的(de)２０世紀偉大(dà)的(de)科學發現，催生了(le)諸如激光(guāng)、半導體、核能等高(gāo)新技術。

盡管量子力學深刻變革著(zhe)人(rén)類生活，但用(yòng)于描述微觀粒子狀态的(de)波函數的(de)本質究竟是什(shén)麽，至今懸而未決。哥(gē)本哈根概率波理(lǐ)論、德布羅意導航波理(lǐ)論、多(duō)世界理(lǐ)論……物(wù)理(lǐ)學家們提出各種假設和(hé)诠釋，卻未達成共識。作爲主流量子力學解釋的(de)哥(gē)本哈根學派認爲波函數隻是數學描述。

zui近，清華大(dà)學教授龍桂魯提出“波函數是微觀物(wù)體的(de)真實存在”的(de)全新觀點，創造性地設計了(le)“相遇延遲選擇實驗”，并領導團隊成功完成實驗。這(zhè)項研究成果發表在近期的(de)《中國科學》上。

“我認爲微觀物(wù)體的(de)波函數就是它的(de)存在形式，彌散在空間中，具有振幅和(hé)相位，測量時(shí)波函數塌縮速度無窮大(dà)，平時(shí)以小于或等于光(guāng)速的(de)速度傳播。分(fēn)開的(de)波函數合到一起時(shí)，由相位引起的(de)波函數幹涉相長(cháng)和(hé)相消使得(de)微觀物(wù)體表現出波動性。”龍桂魯說。

波函數的(de)真實存在可(kě)以用(yòng)“相遇延遲選擇實驗”來(lái)說明(míng)。２２日，清華大(dà)學理(lǐ)科樓一間裝滿物(wù)理(lǐ)學專業書(shū)籍和(hé)《左傳》《資治通(tōng)鑒》國學經典的(de)辦公室裏，龍桂魯這(zhè)樣介紹這(zhè)個(gè)有趣的(de)實驗——

長(cháng)方形馬赫曾德幹涉儀裏，左下(xià)角有半透半反分(fēn)束器，左上角、右下(xià)角分(fēn)别有全反射鏡，右上角根據需要放置或者不放置第二個(gè)分(fēn)束器，右上角的(de)右側和(hé)上邊各放一個(gè)單光(guāng)子探測器。路徑１在左下(xià)角分(fēn)束器反射，沿著(zhe)左邊，在左上角反射到右上角；路徑２透過左下(xià)角分(fēn)束器，沿底邊經右下(xià)角反射到達右上角。在幹涉實驗中，不管第二分(fēn)束器在還(hái)是不在，單光(guāng)子總是同時(shí)在兩個(gè)路徑上通(tōng)過。“相遇延遲選擇實驗”讓這(zhè)兩條路上的(de)波函數相遇後再決定是否插入第二個(gè)分(fēn)束器，結果支持了(le)這(zhè)種實在解釋。

“波函數經過*個(gè)分(fēn)束器後分(fēn)成了(le)兩部分(fēn)，像一條大(dà)貪吃(chī)蛇變成兩條小貪吃(chī)蛇一樣，分(fēn)别從路徑１和(hé)路徑２通(tōng)過。如果沒有第二個(gè)分(fēn)束器，則它們相遇時(shí)‘不理(lǐ)不睬’，各自到達兩個(gè)探測器，各有一半的(de)概率被探測到。當它們在右上角相遇，一半已經通(tōng)過幹涉儀時(shí)插入分(fēn)束器，将兩束波函數‘齊腰截斷’，此時(shí)插入前已經通(tōng)過的(de)那部分(fēn)波函數依然‘不理(lǐ)不睬’，各自到達兩個(gè)探測器。但餘下(xià)的(de)波函數在分(fēn)束器中發生了(le)幹涉并‘不舍不棄’，全部到達右邊探測器。如果多(duō)次重複實驗，兩個(gè)探測器探測到光(guāng)子的(de)個(gè)數分(fēn)别是總數的(de)１／４和(hé)３／４。”龍桂魯說。

專家評價，龍桂魯對(duì)波函數認識的(de)突破在于提出了(le)一種實在诠釋——波函數就是微觀物(wù)體的(de)存在方式，打破了(le)“微觀粒子隻是個(gè)小硬球”的(de)傳統認識，颠覆了(le)約翰·惠勒提出的(de)“延遲選擇實驗”的(de)結果，避免了(le)在微觀世界中違背因果規律。

“延遲選擇實驗”是愛(ài)因斯坦的(de)同事約翰·惠勒在１９７９年在紀念愛(ài)因斯坦誕辰１００周年的(de)討(tǎo)論會上提出的(de)。實驗中，惠勒讓單光(guāng)子先通(tōng)過左下(xià)角的(de)分(fēn)束器後，再決定是否放入第二個(gè)分(fēn)束器，一旦單光(guāng)子選擇了(le)走一條道路，即使第二個(gè)分(fēn)束器在，也(yě)不會發生幹涉。實驗情況是，不管後來(lái)決定還(hái)是之前決定是否放置第二個(gè)分(fēn)束器，結果*一樣：放入則光(guāng)子選擇同時(shí)走兩條道路，不放入則光(guāng)子選擇隻走一條道路。單光(guāng)子就像有預知的(de)精靈，會根據第二個(gè)分(fēn)束器是否存在來(lái)選擇所走的(de)道路是一條還(hái)是兩條！惠勒認爲，後發生的(de)是否放入第二個(gè)分(fēn)束器的(de)事件影(yǐng)響了(le)先發生的(de)單光(guāng)子選擇路線的(de)事件，微觀世界不再遵守因果規律了(le)！

“我們的(de)觀點是，不管你（第二個(gè)分(fēn)束器）在，還(hái)是不在，我波函數就在這(zhè)裏——同時(shí)在兩條路徑上。”龍桂魯說。

量子理(lǐ)論的(de)誕生已有一個(gè)世紀，量子世界依然“迷霧重重”。正如尼爾斯·玻爾所言：誰要是*次聽(tīng)到量子理(lǐ)論而沒有感到震撼，那他(tā)一定沒聽(tīng)懂(dǒng)。

“我們的(de)诠釋用(yòng)簡單易懂(dǒng)的(de)圖像理(lǐ)解神秘的(de)量子效應，如量子隧道效應、雙狹縫幹涉實驗、量子糾纏、非局域性和(hé)波粒二象性等。”龍桂魯說。

龍桂魯團隊長(cháng)期從事量子信息研究，曾憑量子通(tōng)信和(hé)量子算(suàn)法的(de)物(wù)理(lǐ)基礎研究獲得(de)國家自然科學獎二等獎。（完）