量子物理学：真正的真实是什么？

根据牛津大学物理学家欧文·马鲁尼（Owen Maruni）的说法，自1900年代量子理论问世以来，每个人都在谈论这种理论的奇怪之处。它如何允许粒子和原子同时在几个方向上移动，或者同时顺时针和逆时针旋转。但是你无法用言语证明任何事情。 “如果我们告诉公众量子理论非常陌生，我们需要通过实验来验证这一说法，” Maruni说。 “否则，我们不做科学，而是谈论董事会上的各种曲折。”

这就是导致Maruni的同伴开发了一系列新实验以揭示波动函数的本质的原因-波量子本质的神秘本质。在纸上，波动函数只是一个数学对象，用字母psi（Ψ）表示（这些相同的波形中的一个），用于描述粒子的量子行为。根据实验，波函数使科学家可以计算在特定位置观察电子的概率，或电子自旋向上或向下定向的机会。但是数学并没有说真正的波动函数是什么。这是物理的吗？还是仅仅是一种计算工具，使您可以与观察者对现实世界的无知一起工作？

用于回答问题的测试非常微妙，仍然必须给出明确的答案。但是研究人员对这种结局很乐观。最后，他们将能够回答困扰了数十年的问题。粒子真的可以同时在很多地方吗？宇宙是否不断地划分为平行世界，在每个平行世界中都存在我们的替代版本？有什么叫客观现实吗？

昆士兰大学（澳大利亚）的物理学家亚历山德罗·费德里奇（Alessandro Fedricci）说：“这些问题迟早都会传给任何人。” “真正的真实是什么？”

甚至当物理学家发现波和粒子仅仅是同一枚硬币的两个面时，关于现实本质的争论就开始了。一个经典的例子是有两个缝隙的实验，其中单个电子在具有两个缝隙的势垒处射击：电子的行为就像它同时穿过两个缝隙一样，从另一侧产生条纹状的干涉图案。 1926年，奥地利物理学家ErwinSchrödinger发明了一种波动函数来描述这种行为，并推导了一个方程式，使得可以在任何情况下进行计算。但是他和其他任何人都无法透露此功能的性质。

无知的恩典

从实用的角度来看，其性质并不重要。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）于1920年代创建的哥本哈根量子理论解释，仅将波动函数用作预测观测结果的工具，使您无需考虑现实中会发生什么。比利时天主教大学统计物理学专家吉恩·布里蒙特（Gene Brickmont）表示：“您不能责怪物理学家这种行为模型，对其闭嘴并计数，因为它导致了核和原子物理学，固态物理学和基本粒子物理学方面的重大突破。” “因此，建议人们不要担心基本问题。”

但是有些人仍然担心。到1930年代，爱因斯坦拒绝了哥本哈根的解释，这不仅是因为它使两个粒子混淆了它们的波动函数，从而导致一种情况，即使其中一个被巨大的粒子分开，其中一个的测量也可以立即给出另一个的状态。距离。为了不忍受这种“远距离的令人恐惧的相互作用”，爱因斯坦宁愿相信粒子的波函数是不完整的。他说，粒子可能具有一些确定测量结果的隐藏变量，而量子理论并未注意到这些变量。

从那以后的实验已经证明了在一定距离下令人恐惧的交互作用的表现，这拒绝了隐藏变量的概念。但这并没有阻止其他物理学家以自己的方式解释它们。这些解释分为两个阵营。有些人同意爱因斯坦的观点，波函数反映了我们的无知。这就是哲学家所谓的psi流行病模型。其他人则将波函数视为真实的东西-psi模型。

要了解两者之间的区别，请想象一下1935年在写给爱因斯坦的一封信中描述的Schrodinger心理实验。那只猫在一个钢盒子里。该盒子中装有放射性物质样品，该样品在一小时内有50％的机会发射出衰变产物，还装有一种设备，如果检测到这种物质，它会毒害猫。薛定er写道，由于放射性衰变是量子级的事件，量子理论的规则说，在一小时的结束时，盒子内部的波函数应该是死猫和活猫的混合物。

“粗略地说，” Fedricci轻轻地说，“在psi流行病模型中，盒子里的猫是活着的还是死了，而我们只是不知道，因为盒子是封闭的。”在大多数psi本体模型中，都与哥本哈根的解释是一致的：直到观察者打开盒子，猫才会活着而且死了。

但是这里的争论陷入僵局。哪种解释是正确的？这个问题很难通过实验来回答，因为模型之间的差异非常微妙。本质上，他们必须预测与非常成功的哥本哈根解释相同的量子现象。昆士兰大学的物理学家安德鲁·怀特（Andrew White）表示，在他从事量子技术的20年职业生涯中，“这项任务就像一座没有壁架的巨大光滑山峰，这是无法实现的。”

随着量子测量定理的发布，一切都在2011年发生了变化，这似乎消除了“将波函数视为无知”的方法。但是仔细研究发现，该定理为他们的操作留出了足够的空间。但是，它激发了物理学家认真思考通过测试波动函数的真实性来解决纠纷的方法。 Maruni已经开发了一个原则上可行的实验，他和他的同事很快就找到了一种使之在实践中起作用的方法。该实验是去年由Fedricci，White和其他人进行的。

要了解测试的想法，请想象两副牌。在一个中只有红色，在另一个中只有ace。同一所大学的物理学家马丁·林鲍尔（Martin Ringbauer）说：“他们给您一张卡片，并请您确定它来自哪个卡座。”如果这是一张红色王牌，则“发生交叉路口，您不能肯定地说出来。”但是，如果您知道每个卡座中有多少张牌，就可以计算出这种模糊情况发生的频率。

物理处于危险之中

同样的歧义发生在量子系统中。并非总是可以通过一种测量来找出例如光子是如何偏振的。怀特说：“在现实生活中，很容易将西方与仅西南的方向区分开来，但是在量子系统中却并非如此。”根据哥本哈根的标准解释，询问极化是没有意义的，因为该问题没有答案-直到另一种测量准确确定了答案为止。但是，根据“无知的波动函数”模型，这个问题是有道理的-仅仅是实验（如带有纸牌的实验）缺乏信息。与卡片一样，可以预测这种无知可以解释多少种歧义情况，并与标准理论所允许的大量歧义情况进行比较。

这正是Fedricci向团队核实的内容。该小组测量了光子束的极化和其他性质，并发现了相交的水平，这不能用“无知”模型来解释。结果支持另一种理论-如果存在客观现实，则存在波动函数。 “令人印象深刻的是，该团队能够通过如此简单的实验解决如此艰巨的任务，”波恩大学（德国）的物理学家安德里亚·阿尔贝蒂（Andrea Alberti）说。

结论尚未刻画在花岗岩上：由于检测器仅捕获了测试所用光子的五分之一，因此我们必须假设丢失的光子的行为完全相同。这是一个很强的假设，现在该小组正在努力减少损失并产生更具体的结果。目前，牛津大学的Maruni团队正在与新南威尔士大学（澳大利亚）合作，以更容易追踪的离子重复该实验。 “在接下来的六个月中，我们将拥有不可否认的这一实验版本，” Maruni说。

但是，即使成功等待着他们，并且“波动函数作为现实”模型获胜，这些模型也有不同的选择。实验者将不得不选择其中之一。

最早的解释之一是在1920年代由法国人路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）提出，并在1950年代由美国人David Bohm扩展。根据Broglie-Bohm模型，粒子具有特定的位置和属性，但是它们由某个“导波”驱动，该导波被定义为波函数。这解释了具有两个缝隙的实验，因为尽管波本身吸引的电子本身仅穿过两个缝隙中的一个，但导波可以穿过两个缝隙并给出干涉图。

在2005年，此模型获得了意外的支持。他们认为，现在在巴黎Langevin研究所工作的物理学家Emanuel Fort和巴黎Didro大学的Yves Kodier向学生提出了一个简单的任务：进行一项实验，其中由于托盘的振动，落在托盘上的油滴将合并。令周围所有人感到惊讶的是，当托盘以一定频率振动时，开始形成波浪。福特说：“水滴开始独立地移动。” “这是一个双重物体-由波浪吸引的粒子。”

从那时起，Fort和Code证明，这些波可以在实验中完全按照导波理论的预测在两个狭槽中传导其粒子，并可以重现其他量子效应。但这并不能证明量子世界中存在导频波。福特说：“有人告诉我们在经典物理学中不可能实现这样的效果。” “然后我们证明了它们是可能的。”

1980年代开发的另一组基于现实的模型试图解释大小物体之间的强烈差异。意大利的里雅斯特大学的物理学家安吉洛·巴西说：“为什么电子和原子可以同时在两个地方，而桌子，椅子，人和猫却不能。”这些被称为“崩溃模型”的理论认为，单个粒子的波函数是真实的，但会失去其量子特性，并将粒子带入空间中的某个位置。构造模型的目的是使单个粒子发生此类崩溃的可能性极小，从而使量子效应在原子级起主导作用。但是，当粒子结合时，崩溃的可能性会迅速增加，并且宏观物体完全失去其量子特性，并且会按照古典物理学定律行事。

一种检查方法是在大型物体中寻找量子效应。如果标准量子理论是正确的，那么就没有尺寸限制。物理学家已经使用大分子对两个狭缝进行了实验。但是，如果塌陷模型为真，那么如果超过一定质量，则量子效应将是不可见的。不同的小组计划使用冷原子，分子，金属簇和纳米粒子搜索这种物质。他们希望在未来十年内发现结果。“这些实验的妙处在于，我们将对量子理论进行尚未经过测试的严格测试，” Maruni说。

平行世界

科幻小说家已经知道并喜欢一种模型“将波函数作为现实”。这是1950年代的休·埃弗里特（Hugh Everett）提出的，当时他当时是新泽西州普林斯顿大学的学生。在此模型中，波动函数非常强烈地决定了现实的发展，以至于每次进行量子测量时，宇宙都会分裂成平行的世界。换句话说，打开一个有猫的盒子，我们生出两个宇宙-一个带死猫，另一个带活猫。

很难将这种解释与标准量子理论分开，因为它们的预测是一致的。但是去年，布里斯班格里菲斯大学的霍华德·怀斯曼（Howard Wiseman）及其同事提出了一种可以检查的多重乘数模型。他们的模型中没有波函数-粒子服从经典物理学，牛顿定律。量子世界的奇怪影响之所以出现，是因为在平行宇宙中的粒子与其克隆之间存在排斥力。怀斯曼说：“它们之间的排斥力产生在所有平行世界传播的波。”

他们使用了一个计算机模拟，其中有41个宇宙相互作用，结果表明该模型大致再现了几种量子效应，包括在带有两个狭缝的实验中的粒子轨迹。随着世界数量的增加，干扰的模式趋于真实。怀斯曼说，由于理论的预测根据世界的数量而变化，因此，您可以检查多元宇宙模型是否正确-也就是说，没有波动函数，但现实却遵循古典定律。

由于该模型不需要波动函数，因此即使将来的实验排除具有“无知”的模型，波动函数也将保持可行。除此以外，其他模型也将继续存在，例如哥本哈根的解释，该解释声称没有客观现实，只有计算。

但是，正如怀特所说，这个问题将成为研究的对象。而且，尽管还没有人知道如何做到这一点，“真正有趣的是开发一种检查我们是否有客观现实的测试”。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN388179/