“你在或不在，我就在這里”——中國科學(xué)家巧設(shè)實驗詮釋量子力學(xué)波函數(shù)真實存在

新華社記者余曉潔

量子力學(xué)是與相對論比肩的２０世紀(jì)偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，催生了諸如激光、半導(dǎo)體、核能等高新技術(shù)。

盡管量子力學(xué)深刻變革著人類生活，但用于描述微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)的本質(zhì)究竟是什么，至今懸而未決。哥本哈根概率波理論、德布羅意導(dǎo)航波理論、多世界理論……物理學(xué)家們提出各種假設(shè)和詮釋，卻未達(dá)成共識。作為主流量子力學(xué)解釋的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為波函數(shù)只是數(shù)學(xué)描述。

最近，清華大學(xué)教授龍桂魯提出“波函數(shù)是微觀物體的真實存在”的全新觀點，創(chuàng)造性地設(shè)計了“相遇延遲選擇實驗”，并領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊成功完成實驗。這項研究成果發(fā)表在近期的《中國科學(xué)》上。

“我認(rèn)為微觀物體的波函數(shù)就是它的存在形式，彌散在空間中，具有振幅和相位，測量時波函數(shù)塌縮速度無窮大，平時以小于或等于光速的速度傳播。分開的波函數(shù)合到一起時，由相位引起的波函數(shù)干涉相長和相消使得微觀物體表現(xiàn)出波動性。”龍桂魯說。

波函數(shù)的真實存在可以用“相遇延遲選擇實驗”來說明。２２日，清華大學(xué)理科樓一間裝滿物理學(xué)專業(yè)書籍和《左傳》《資治通鑒》國學(xué)經(jīng)典的辦公室里，龍桂魯這樣介紹這個有趣的實驗——

長方形馬赫曾德干涉儀里，左下角有半透半反分束器，左上角、右下角分別有全反射鏡，右上角根據(jù)需要放置或者不放置第二個分束器，右上角的右側(cè)和上邊各放一個單光子探測器。路徑１在左下角分束器反射，沿著左邊，在左上角反射到右上角；路徑２透過左下角分束器，沿底邊經(jīng)右下角反射到達(dá)右上角。在干涉實驗中，不管第二分束器在還是不在，單光子總是同時在兩個路徑上通過?！跋嘤鲅舆t選擇實驗”讓這兩條路上的波函數(shù)相遇后再決定是否插入第二個分束器，結(jié)果支持了這種實在解釋。

“波函數(shù)經(jīng)過第一個分束器后分成了兩部分，像一條大貪吃蛇變成兩條小貪吃蛇一樣，分別從路徑１和路徑２通過。如果沒有第二個分束器，則它們相遇時‘不理不睬’，各自到達(dá)兩個探測器，各有一半的概率被探測到。當(dāng)它們在右上角相遇，一半已經(jīng)通過干涉儀時插入分束器，將兩束波函數(shù)‘齊腰截斷’，此時插入前已經(jīng)通過的那部分波函數(shù)依然‘不理不睬’，各自到達(dá)兩個探測器。但余下的波函數(shù)在分束器中發(fā)生了干涉并‘不舍不棄’，全部到達(dá)右邊探測器。如果多次重復(fù)實驗，兩個探測器探測到光子的個數(shù)分別是總數(shù)的１／４和３／４?！饼埞痿斦f。

專家評價，龍桂魯對波函數(shù)認(rèn)識的突破在于提出了一種實在詮釋——波函數(shù)就是微觀物體的存在方式，打破了“微觀粒子只是個小硬球”的傳統(tǒng)認(rèn)識，顛覆了約翰·惠勒提出的“延遲選擇實驗”的結(jié)果，避免了在微觀世界中違背因果規(guī)律。

“延遲選擇實驗”是愛因斯坦的同事約翰·惠勒在１９７９年在紀(jì)念愛因斯坦誕辰１００周年的討論會上提出的。實驗中，惠勒讓單光子先通過左下角的分束器后，再決定是否放入第二個分束器，一旦單光子選擇了走一條道路，即使第二個分束器在，也不會發(fā)生干涉。實驗情況是，不管后來決定還是之前決定是否放置第二個分束器，結(jié)果完全一樣：放入則光子選擇同時走兩條道路，不放入則光子選擇只走一條道路。單光子就像有預(yù)知的精靈，會根據(jù)第二個分束器是否存在來選擇所走的道路是一條還是兩條！惠勒認(rèn)為，后發(fā)生的是否放入第二個分束器的事件影響了先發(fā)生的單光子選擇路線的事件，微觀世界不再遵守因果規(guī)律了！

“我們的觀點是，不管你（第二個分束器）在，還是不在，我波函數(shù)就在這里——同時在兩條路徑上?！饼埞痿斦f。

量子理論的誕生已有一個世紀(jì)，量子世界依然“迷霧重重”。正如尼爾斯·玻爾所言：誰要是第一次聽到量子理論而沒有感到震撼，那他一定沒聽懂。

“我們的詮釋用簡單易懂的圖像理解神秘的量子效應(yīng)，如量子隧道效應(yīng)、雙狹縫干涉實驗、量子糾纏、非局域性和波粒二象性等。”龍桂魯說。

龍桂魯團(tuán)隊長期從事量子信息研究，曾憑量子通信和量子算法的物理基礎(chǔ)研究獲得國家自然科學(xué)獎二等獎。（完）