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量子力学经典论战风波再起,这次换玻尔的孙子上场了

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  1927 年索尔维会议(Solvay Conference,著名的国际物理化学研究会)上,众多杰出的物理学家相聚探讨量子力学的意义,出席会议的沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在会中指出,导航波理论无法适当正确处理非弹性散射(inelastic scattering)。德布罗意无法给出导航波手中的物理本质,最终还是玻尔革命性的理论取得了胜利。

  1929 年的法国物理学家德布罗意。图片来源:Quanta Magazine

  78 年后,导航波理论几乎已被世人遗忘,而忽然间库代等人在巴黎发现的油滴弹跳难题,成为了一有另两个德布罗意猜想的“模拟系统”。

  “弹跳油滴”vs“双缝干涉”

  情况表又有了再次反转。2015 年以来,世界各地的研究者们进行了一系列弹跳油滴的“双缝实验”(double-slit experiment),结果表明库代那次类事量子难题的惊人展示趋于稳定错误,击碎了这一物理学家的美梦。有趣的是,推翻德布罗意理论的人都在别人,正是尼尔斯·玻尔的孙子托马斯·玻尔(Tomas Bohr)。

  流体物理学家托马斯·玻尔与他的祖父、著名量子物理先驱尼尔斯·玻尔照片的合照。图片来源:Quanta Magazine

  “我当时有点想知道,到底可不要还能能得到一有另两个挑选的量子力学理论。”考虑到此人 的家族史,他又补充:“可能性还带了点责任感,我着实此人 有义务见证最终结果。”

  双缝实验中,射向两条狭缝的粒子通过狭缝后被探测屏检测到。单个粒子在探测屏上出显 的位置是随机的,但可能性射向双缝的粒子足够多,就能观察到干涉条纹。干涉条纹的出显 表明了粒子的波动性,波会一同通过两条狭缝,产生的有另两个波阵面相互汇聚、干涉形成条纹。在探测屏上,四种 神奇的概率波就会在波峰处物质化,成为粒子实体。但可能性用另有另两个探测器来探测有有哪些粒子到底穿过的是哪条狭缝,干涉条纹就会消失:粒子会直接穿过某一条狭缝,在探测屏上只形成两条条纹。就好像概率波(波函数)塌缩了一样。玻尔的理论就很好地解释了四种 著名的实验。

  物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)称双缝实验“所含了量子力学的精华,隐藏着量子力学的终极规律”。

  德布罗意却认为双缝实验不时时需抽象的波函数塌缩来解释,相反,他认为粒子搭乘在真实趋于稳定的导航波上,即使导航波一同通过两条狭缝,粒子却像漂流瓶那样随导航波只通过其中之一,而后出显 在导航波的波阵面干涉相长的地方。但他从未真正推导出能支持导航波理论的动力学方程。

  弹跳油滴实验出显 后,库代和伊曼纽尔·福特(Emmanuel Fort)调快就进行了双缝实验,在记录了 75 个弹跳油滴通过双缝的轨迹完后 ,亲们 称在油滴的落点处观察到了类事于干涉的条纹,而这似乎不还能能来源于导航波。完后 认为“可能性性用任何经典理论来解释”的双缝干涉,这次在亲们 的眼皮下明明白白地趋于稳定了。亲们 惊人的结果发表在了 2006 年的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

  受潜在量子规律的吸引,流体动力学家约翰·布什(John Bush)的团队在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)继续探寻意味着着 。同样进行着弹跳油滴的双缝实验的,还有丹麦技术大学(Technical University of Denmark)的托马斯·玻尔和安诺斯·安诺生(Anders Andersen),以及内布拉斯加大学(University of Nebraska)的量子物理学家赫尔曼·贝特兰(Herman Batelaan)团队。在完善了实验装置、排除了气流的影响,让油滴随导航波通过双缝后,有另两个团队都不还能能 观察到库代亲们 所说的干涉条纹。油滴几乎是直线穿过了双缝,不还能能 条纹出显 。布什关于双缝实验的精确结果已于今年早些完后 发表。

  库代和福特团队完后 的错误最终被归因于噪音、土法律法律依据有误和统计不充分。

  安诺斯·安诺生,丹麦技术大学流体动力学家。图片来源:Quanta Magazine

  将德布罗意理论详细推翻?

  “双缝实验令我有点失望,” 巴斯大学(University of Bath)数学科学系主任米保罗·米莱夫斯基(Paul Milewski)说。但布什和米莱夫斯基认为,可能性油浴下皮 的振动频率等参数合适,或许加带带必要的噪音,还是有希望获得导航波的干涉条纹的。

  在报道丹麦团队双缝实验结果的论文中,托马斯·玻尔提出了一有另两个思想实验,似乎能详细推翻德布罗意的导航波理论。

  他设想,在有另两个狭缝中央加一有另两个分隔板,粒子在到达有狭缝时需先经过分隔板的某一侧。在标准量子力学中,分隔板可不要还能能很长,波函数会一同通过分割板的两侧,穿过两条狭缝产生干涉,有并且分隔板不要影响实验结果。但在德布罗意的设想和弹跳油滴的实验中,粒子不还能能通过分隔板的一侧,而与通过另一侧的导航波抛弃联系,导航波一旦抛弃与粒子或油滴的联系,它的波阵面还没到狭缝就会消失,干涉难题也就不要产生。丹麦的研究者用计算机模拟验证了四种 论点。

  托马斯·玻尔的思想实验。图片来源:Quanta Magazine

  布什却表示:“我不喜欢有哪些‘思想’实验。弹跳油滴实验的妙趋于稳定于,你能真实地做出来。”有并且分隔板思想实验以极简单的土法律法律依据突出了德布罗意理论的本质难题:在由粒子和导航波的定域相互作用驱动的量子现实中,双缝干涉等非定域量子难题抛弃了必要的对称性。(编者注:在物理学中,定域性原理认为一有另两个特定物体不还能能被它附进的力量影响;非定域性有时也称为不挑选性,在量子力学中,在其定义范围内某个物理量不还能能挑选更小挑选范围的性质,称为量子非定域性。)

  托马斯·玻尔说:“要想获得真正的量子力学结果,粒子可能性路径的平衡是十分重要的,”但可能性导航波 “一边携所含粒子而一边不还能能 ,两边可能性性平衡,这打破了量子力学中非常重要的对称性。”

  理论二选一并且喜太快题?

  20世纪70年代以来的纠缠光子实验就可能性证明:量子力学时需是非定域的。类事德布罗意理论四种 涉及粒子与其导航波定域相互作用的理论,太快解释非定域纠缠难题。

  玻尔祖孙三代照片。图片来源:尼尔斯·玻尔档案馆

  直到 1987 年去世,德布罗意仍在质疑非定域性和量子纠缠的争论,他认为真实的导航波不还能能以四种 土法律法律依据激发长距离联系。直到现在,这一在做弹跳油滴实验的研究者还在固执地坚持着德布罗意略显荒谬的设想。

  1952 年,物理学家大卫·玻姆(David Bohm)重提过德布罗意的理论,也并且现在的玻姆力学(Bohmian mechanics)或德布罗意-玻姆理论(Broglie-Bohm theory)。在四种 理论设想中,抽象的波函数和实体粒子遍布整个空间,也和哥本哈根理论一样玄妙。有并且加入具体粒子四种 经典实体元素后,理论产生了新的谜团,比如空间中无处这么了的数学波函数怎么还能能限定在物理颗粒上?

  “从四种 层厚看,量子力学也是个挺奇怪的理论,”托马斯·玻尔说。物理学家大多也都同意,可能性两者实验预测一致,挑选哪个并且喜好的难题。

  “我着实爷爷会对弹跳油滴实验很感兴趣,” 托马斯·玻尔笑着说,“他可能性会比我调快有此人 的结论,但他一同也会认为,创发明的故事的故事一有另两个与德布罗意理论不还能能 契合的系统,岂都在太巧妙了。”