一个封闭的漏洞证实了量子世界的不真实

在著名的实验中发现一个漏洞后,证明没有量子物体的内部特性,三组实验者迅速将其关闭。 这一集解决了有关隐藏变量理论的问题。





理论物理学家约翰·惠勒John Wheeler)曾经用“巨大的烟熏龙”一词来形容从源头飞到光子计数器的光的粒子。 “龙的嘴在它咬着柜台的地方很锋利。 惠勒写道,龙的尾巴很锋利,是光子的来源。 换句话说,光子在路径的起点和终点都具有一定的真实性。 但是他在中间的状态-龙的身体-模糊。 “我们无权谈论龙的行为或两者之间的关系。”

惠勒支持这样一种观点,即在我们进行观察之前,基本量子现象才能被称为真实的-一种称为反现实主义的哲学立场。 他甚至想出了一个实验,证明如果您坚持现实主义-在这种现实主义中,诸如光子之类的量子对象始终具有某些内部属性,这更像是现实的经典概念-那么您必须接受未来会影响过去。 由于时光倒流的荒谬性, 惠勒的实验在量子水平上主张反现实主义。

但是在2018年5月,拉斐尔·查韦斯(Rafael Chavez)与国际物理研究所的同事发现了一个漏洞。 他们表明,在某些假设下,可以使用经典模型解释惠勒实验,该经典模型将光子的内部特性归因于光子。 他们为龙提供了清晰定义的身体,使它远离了标准量子力学的数学形式主义。


拉斐尔·查韦斯(Rafael Chavez)

查韦斯(Chavez)的小组提出了惠勒(Wheeler)实验的改进方案,以测试漏洞。 其他三支敏捷度异常的团队则忙于进行改进的实验。 他们的结果于6月份发表,表明促进现实主义的经典模型并未提供对结果的有意义的解释。 量子力学可能很奇怪,但它仍然是最简单的解释。

龙陷阱


惠勒(Wheeler)在1983年提出了他的实验,以强调量子力学的主要概念奥秘之一: 波粒对偶 。 量子物体要么表现为粒子,要么表现为波,但不能同时表现出来,依此类推。 从量子力学的这种性质来看,似乎可以得出这样的结论:在观察到物体之前,它们就没有内部真实性。 麻省理工学院的物理学家和科学历史学家戴维·凯泽David Kaiser)说:“物理学家不得不忍受将近对偶论作为量子理论固有的和奇怪的特征已有近一百年的历史。” “这个想法先于量子理论的其他典型奇怪特征,例如海森堡不确定性原理薛定ding猫 。”

这种现象在著名实验的一个特殊情况下得到了强调,该实验有两个缝隙,称为Mach-Zehnder干涉仪

在实验中,一个光子朝半透明镜或分束器发射。 具有相同概率的光子会反射或穿过它-因此,它最终遵循两条路径之一。 在这种情况下,它将沿路径1或路径2前进,并且以相等的概率进入检测器D1或D2。 光子表现为一个看不见的整体,证明了其微粒性质。

但是有细微差别。 在路径1和2的交点处,可以添加另一个更改所有内容的分束器。 在这种情况下,量子力学说光子实际上是作为波同时通过两条路径的。 这两个波在第二个分束器上会聚。 可以设置实验,以使构造的波组合在一起-峰到峰,失败到失败-仅当它们进入D1检测器时才组合在一起。 到达计数器D2的路径表示相消干扰。 在这种情况下,总是可以在D1中找到光子,而在D2中永远找不到。 在这种情况下,光子显示出其波的性质。


上图:光子作为粒子。 每个探测器在50%的情况下都会记录一个光子。
中间:像波浪一样的光子。 光子仅注册D1。
下图:待定选择。 我们从没有第二个分束器开始,然后在最后一刻添加它。 首先表现得像粒子的光子突然开始像波一样表现。
结论:要么引入第二个分束器,要么过去向光子发送信号,或者光子没有内部属性。

惠勒的天才表现在一个问题上:如果我们推迟是否增加第二个分束器的选择,该怎么办? 假设当那里没有第二个分束器时,光子进入干涉仪。 它必须表现得像粒子。 但是您可以在最后一个纳秒内添加第二个分束器。 理论和实验表明,以前必须像粒子一样进入并进入检测器D1或D2的光子,开始像波一样,仅进入D1。 为此,他似乎需要同时走两条路,而不是走一条路。 在经典意义上,一切都发生了,就好像光子及时回来并将其本质从粒子变成波一样。

避免这种因果关系[未来事件对过去的影响]的一种方法是否认光子具有内部真实性,并声明光子只有在测量时才变为真实。 然后,我们无所适从。

这种反现实主义通常与哥本哈根对量子力学的解释有关 ,至少在本实验的背景下,在查韦斯的著作发表后受到了理论上的打击。 他的团队决定用一组新的因果模型来解释量子力学的反直觉特性,其中因果模型在计算机科学家Jude Perle等人的协助下于近十年来日益流行。 因果模型确定实验各个元素之间的因果关系。 通常,在研究相互关联的事件时(我们将其称为A和B),我们不能肯定地说A是B的原因,或者B是A的原因,这两个事件的原因都有可能是不可预见的或“隐藏的”事件B。在这种情况下,因果模型可能有助于揭示此B。

查韦斯和他的同事加布里埃拉·莱莫斯Gabriela Lemos)雅克·皮埃纳德Jacques Pienard )专注于惠勒的延迟实验,期望未能找到具有隐藏过程的模型,该模型将使光子具有内部真实性,并能解释其行为而没有任何因果关系。 查韦斯说,他们相信,他们将证明推迟选择的实验“完全违反直觉,因为没有因果模型可以解释这一点。”


加布里埃拉·莱莫斯(Gabriela Lemos)

但是一个惊喜在等待着他们。 任务很简单。 他们首先建议光子在通过第一个分束器后立即具有由“隐藏变量”定义的内部状态。 在这种情况下,隐藏变量是标准量子力学中不可用的变量,但是以某种方式影响光子的行为。 然后,实验者决定添加或移除第二个分束器。 因果模型禁止过去,确保实验者的选择不会影响光子的过去状态。

给定一个支持现实的隐藏变量,该团队表明可以写下规则,使用该变量的值以及是否存在第二个分束器将光子传导至D1或D2,以重复量子力学的预测的方式进行。 他们得到了经典,因果,现实的解释。 他们发现了一个新漏洞。

上海纽约大学量子理论物理学专家蒂姆·伯恩斯Tim Burns)说,这让几位物理学家感到惊讶。 伯恩斯说:“人们不满意的是,这种实验提供了经典的解释,可以完美地重复实验的结果。” “您可以创建具有隐藏变量的理论,而无需任何量子力学。”

查韦斯说:“这是零步骤。” 下一步是弄清楚如何修改Wheeler实验,以便可以区分经典的隐藏变量理论和量子力学。

在改进的实验中,马赫-曾德尔干涉仪保持不变; 始终存在第二个分束器。 取而代之的是,研究人员可以随意更改的实验调整的作用是通过两个相移来实现的-一个在实验开始时进行,另一个在结束时进行。

两个相移的组合作用改变了相对路径长度。 这会改变干涉图,并随之改变光子的假定波或粒子行为。 例如,第一相移的值可以使得光子的行为像干涉仪内部的粒子,而第二相移的值可以使它的行为像波。 研究人员需要第二种调整才能进行第一次调整。

通过这样的实验设置,查韦斯团队提出了一种区分经典因果模型和量子力学的方法。 假设第一个相变可以采用三个变量之一,而第二个则采用两个变量。 事实证明该实验有六个可能的设置。 在这里,经典的隐藏变量模型和标准量子力学的预测是不同的。 然后,科学家们制定了一个公式。 该公式在其输入端接收根据光子到达特定检测器的次数计算的概率(基于具有两个相变的公式)。 如果公式为零,则经典因果模型能够解释统计数据。 但是,如果方程产生的数字大于零,则由于对隐藏变量施加了某些限制,因此对实验结果没有经典解释。

查韦斯与罗马萨皮恩扎大学量子物理学专家法比奥·夏里亚诺(Fabio Sciarino)及其同事合作,测试了不平等现象。 同时,有两支中国队伍进行了实验,一支是合肥科技大学的实验物理学家潘让伟带领的,另一支是同一所大学的郭光康带领的。

每个团队在实施该计划时都略有不同。 郭的小组坚持使用真正的马赫曾德尔干涉仪进行简单选择。 格里菲斯大学的理论物理学家霍华德·怀斯曼(Howard Wiseman)说:“我认为该实验最接近惠勒的原始建议。”

所有三个团队均表明,计算公式的结果超过零,具有不可否认的统计意义。 他们排除了那些经典的因果模型,这些模型可以用推迟的选择来解释Wheeler的实验。 漏洞已经关闭。 潘说:“我们的实验挽救了惠勒的著名思想实验。”

那些仍然存在的隐藏变量


查韦斯的“优雅”理论工作和随后的实验给凯泽留下了深刻的印象。 “在每个实验中都发现了明显的不平等迹象,这一事实令人信服,证明了这种系统的“经典”模型实际上并未描述世界工作的真实方案,而量子力学的预测与最新结果完全吻合”他说。

该公式用于某些假设。 最大的因数之一-因果模型中使用的经典隐藏变量,可以采用编码为一位信息的两个值之一。 查韦斯认为这是合理的,因为量子系统-光子-也只能编码一小部分信息(它进入干涉仪的一个臂或另一个臂中)。 查韦斯说:“很自然地说隐藏变量的模型也应该是二维的。”


戴维·凯泽

但是具有附加信息传递能力的隐藏变量可以恢复因果模型解释具有延迟选择的修改实验中观察到的统计数据的能力。

而且,这些实验并未驳斥最流行的隐藏变量理论。 de Broglie-Bohm理论是标准量子力学的确定性和现实选择,它可以用延期的选择来解释实验。 根据该理论,粒子始终具有位置(它们是隐藏变量),因此是客观现实,但同时它们受到波动的引导。 因此,现实既是波澜又是语料。 波沿着两条路径传播,粒子沿着两条路径之一传播。 是否存在第二个分束器会影响将粒子传导到检测器的波-此结果与标准量子力学相符。

对于怀斯曼来说,关于哥本哈根解释与德布罗意-博姆理论之间对立的争论还远远没有完成。 他在一封电子邮件中写道:“在哥本哈根的解释中,没有奇怪的时间流逝,恰恰是因为我们无权谈论光子的过去。” 在对德布罗意-博姆的解释中,有一个独立于我们的知识的现实,但是没有问题,因为没有时间倒转-但是有一个独特的因果关系(前瞻性)描述。”

凯撒(Kaiser)称赞自己的尝试,并希望继续前进。 在当前的实验中,是通过量子随机数发生器来选择是否添加第二相移或第二分束器。 但是在这个实验中,量子力学本身被测试了,因为它具有回旋依赖的回味。 凯撒说:“即使基于完全不同的随机性源进行设计,也要检查实验结果是否保持一致,这是很好的选择。”

为此,Kaiser及其同事使用来自遥远类星体的光子创建了这样的随机性源,其中许多类星体通过了[observable]宇宙的一半以上。 用米高的望远镜在加利福尼亚的桌山天文台收集光子。 如果光子波长未超过某个阈值,则随机数发生器将给出0,否则将为1。原则上,该位可用于随机选择实验条件。 如果研究结果继续支持惠勒的最初声明,那么“这将使我们有更多的理由说,波波对偶性不能用经典物理学来解释,”凯泽说。 -量子物理学的概念选择范围再次减少,并且已经陷入困境。 而这正是我们正在努力的目标。”

同时,在短短几周内清晰可见的龙的身体再次变得发烟和模糊。

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Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN422699/


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