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量子世界中 波函数到底是数学描述还是实体

2018-01-19 10:34 来源:科技日报 陆成宽

  著名的双缝实验

  图1

  通过双缝实验,我们知道微观粒子在实验的两端更加类粒,在中间却表现出波动性。微观粒子这种既有粒子性又有波动性的性质,被科学家称作波粒二象性。美国物理学家惠勒将这种量子力学中最本质的不确定性比作“烟雾缠绕的巨龙”:人们可以看到巨龙的头,它是粒子产生的源头;也可以看到巨龙的尾巴,它是实验观测的结果。巨龙的头和尾巴都是确定的、清晰的,但是巨龙的身体却是一团迷雾,没有人可以说清。

  延迟选择实验 具象展示微观粒子波动性

  为了具象地展示这种物理概念,1979年在为纪念爱因斯坦诞辰100周年而召开的一次专题讨论会上,惠勒正式提出了“延迟实验”的构想:当光子已经通过左下角的半透镜之后再决定是否放上右上角的半透镜(实验装置如图1)。

  在延迟选择实验中,科学家用左下角的半透镜(涂着半镀银的反射镜)来代替双缝,并且把该半透镜与光子的入射路径摆成45度角,那么,光子就有一半可能直接通过半透镜,一半可能被反射成90度角,这是一个量子随机过程,跟它选择双缝中的左缝和右缝本质上是一样的。同时,在左上角和右下角分别放置一个全反射镜,这样就可以把这两条分开的岔路再交汇到一起。此外,还需要在路径1和路径2的终点处装上探测器,用来确定光子究竟是沿着哪条路径过来的。

  如果每次实验只发射一个光子,连续发射半小时,我们发现每次实验都只有一个探测器观测到光子,光子通过路径1和路径2的可能性各是50%。哥本哈根诠释认为,这说明单个光子每次只选择一条路径通过,从而达到对应的探测器。

  但是,如果我们在路径1和路径2右上角的交汇处放上一块呈45度角的半透镜,神奇的事情就发生了,探测器中出现了干涉条纹,单光子出现了自我干涉。哥本哈根诠释认为,光子肯定同时通过了路径1和路径2。

  光子似乎是个精灵,它可以知道我们是否在交汇处放置了半透镜,从而决定是从一条路径走(开放式,没有在终点放置半透镜),还是同时从两条路径走(封闭式,在终点放置半透镜)。

  然而,如果我们延迟决定是否在路径1和路径2右上角的交汇处放置半透镜,那么光子会选择走一条路径,还是同时走两条路径呢?由此,惠勒就设计了著名的延迟选择实验,即,等光子通过了左下角的半透镜以后,还未到达右上角前,再选择是否在交汇处放置半透镜。而实验的结果和没有延迟选择是一样的,也出现了干涉。

  我们知道,如果光子已经选择了走一条路径,那么在右上角的交汇处放置半透镜不会发生干涉。那么这个实验结果就给出了一个神秘奇特的解释:后发生的事情(是否在交汇处放置半透镜)能够改变先发生的事件(到底是选择走一条路径还是选择同时走两条路径)。观察者现在的行为决定了光子过去的路线。这就意味着我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生。

  最新诠释 打破传统认知的“微观实体”论

  但是,清华大学龙桂鲁教授并不认同哥本哈根诠释对延迟选择实验的解释,他不认同现在的观测会影响过去的决定。他认为,不管后来是否在终点放置半透镜,光子都是选择同时走两条路径,即波函数分裂成了两个子波函数,同时沿着两条路径向终点“游去”。

  龙桂鲁教授巧妙地设计了一个相遇延迟选择实验。“在相遇延迟选择实验中,一束光经过左下角的50:50分束器(相当于半透镜)以后,它就会像一条大蛇一样分成两条小蛇,分别在路径1和路径2通过,两条路径的光在右上角相遇后,一束会往上走,到达上面的探测器,一束会往右走,到达右边的探测器。当两束光在右上角相遇,并且有一半已经通过干涉仪时,我们放上50∶50分束器,将两束子波函数齐腰截断,此时我们发现,插入前已经通过的那1/2的光有1/4到达上面的探测器,1/4到达右边的探测器。余下的1/2,由于放置了分束器,它就发生了干涉,这些光就会全部到达右边的探测器。总的加起来就是上面的探测器观测到了1/4的光,右边的探测器观测到了3/4的光。这也就说明了波函数是微观系统的实在图像。”龙桂鲁说道。对于这一现象,如果采用哥本哈根理论,就很难解释了。

  龙桂鲁根据他自己提出的波函数实在,诠释设计了上述的相遇延迟选择实验。他认为,描述微观物体状态的波函数就是微观物体的真实存在, 而不仅仅是一种简单的数学描述手段, 也就是说, 微观物体以波函数的形式弥散在空间中。

  “波函数是实在的东西,它就像一片甚至是几片云,不仅有大小,而且有相位,它们还会变化,弥散在空间。在双狭缝实验中,波函数有一部分通过左缝,一部分通过右缝。很难理解一个小球同时在左狭缝和右狭缝,而波函数的‘云’分成两部分,分别通过左、右狭缝就很自然,也非常容易理解了。更重要的是,不会有后发生的事情影响以前已经发生的事情这种非常不自然的现象了。这也解释了延迟实验中为什么光子同时通过两条路径,也解释了为什么会出现干涉现象。”龙桂鲁说。

  当两路子波函数相遇时,由相干性引起的相遇后的波函数干涉相长和相消,使得微观系统的“云”在空间中的分布形状发生变化, 从而使得微观物体能够表现出波动性和干涉。当测量发生时, 根据量子力学中的波函数塌缩假设, 弥散在空间中的微观物体会发生瞬时的塌缩, 此时微观物体表现出粒子性。这种诠释不仅能够像传统的哥本哈根诠释一样可以描述物理现象, 而且很好地刻画了微观物体在空间中的实际存在形式, 以及测量或其他操作对这种存在形式的影响。

  二元状态 应用高歌猛进,理论众说纷纭

  波函数到底是什么,一直是量子力学中的一个基本问题。百年来,波函数的本质问题就像是迷雾一般弥散在人们眼前,阻碍了对神秘量子世界的清晰认识。据波函数理论衍生出来的诸如激光、半导体和核能等高新技术,深刻地变革了人类社会的生活方式。作为量子力学核心观念的波函数在实际中的意义如何,一直以来人们都众说纷纭,并无共识。中国科学院院士孙昌璞曾表示,直到今天,量子力学发展还是处在一种令人尴尬的二元状态:在应用方面一路高歌猛进,在基础概念方面却莫衷一是。

  龙桂鲁认为,这项研究提出的波函数实在诠释, 将波函数看作是微观物体的真实存在, 而不再是简单的数学描述, 打破了人们对波函数的传统认识, 对帮助人们深刻理解量子规律, 进一步探索微观世界都具有重要意义。

(责任编辑:王蔚)

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