妳在或(huo)不(bu)在，我(wo)就在這裏”——中國科學(xue)家(jia)巧(qiao)設(she)實驗(yan)詮(quan)釋(shi)量子力(li)學波(bo)函數真實存在

“妳在或(huo)不(bu)在，我(wo)就在這裏”——中國科學(xue)家(jia)巧(qiao)設(she)實驗(yan)詮(quan)釋(shi)量子力(li)學波(bo)函數真實存在

“妳在或(huo)不(bu)在，我(wo)就在這裏”——中國科學(xue)家(jia)巧(qiao)設(she)實驗(yan)詮(quan)釋(shi)量子力(li)學波(bo)函數真實存在

量子力(li)學是(shi)與相(xiang)對(dui)論比(bi)肩(jian)的２０世紀偉大(da)的科學(xue)發(fa)現(xian)，催生了諸(zhu)如(ru)激(ji)光(guang)、半導體(ti)、核(he)能(neng)等(deng)高(gao)新(xin)技(ji)術(shu)。

盡(jin)管(guan)量子力(li)學深(shen)刻(ke)變(bian)革(ge)著(zhe)人(ren)類生活，但(dan)用(yong)於描(miao)述(shu)微觀(guan)粒子狀態(tai)的波(bo)函數的本質究竟是(shi)什(shen)麽，至(zhi)今(jin)懸(xuan)而(er)未(wei)決。哥(ge)本哈根概(gai)率(lv)波(bo)理(li)論、德(de)布(bu)羅意(yi)導航(hang)波(bo)理(li)論、多(duo)世(shi)界理(li)論……物理(li)學家(jia)們(men)提(ti)出(chu)各(ge)種假設(she)和詮(quan)釋(shi)，卻未(wei)達成(cheng)共識(shi)。作為主流量子力(li)學解(jie)釋(shi)的哥(ge)本哈根學(xue)派認為波(bo)函數只(zhi)是(shi)數學(xue)描述(shu)。

zui近，清(qing)華大(da)學(xue)教(jiao)授龍桂魯提(ti)出(chu)“波(bo)函數是(shi)微觀(guan)物體(ti)的真實存在”的全新(xin)觀點(dian)，創(chuang)造(zao)性地設(she)計了(le)“相遇(yu)延(yan)遲(chi)選(xuan)擇實驗(yan)”，並(bing)領導(dao)團(tuan)隊(dui)成功完(wan)成(cheng)實驗(yan)。這項研究成果(guo)發表(biao)在近(jin)期的《中國科學(xue)》上(shang)。

“我(wo)認為微觀(guan)物體(ti)的波(bo)函數就(jiu)是(shi)它(ta)的存在形(xing)式(shi)，彌(mi)散(san)在空(kong)間(jian)中，具(ju)有振幅(fu)和相位(wei)，測量時波(bo)函數塌(ta)縮(suo)速(su)度(du)無(wu)窮(qiong)大(da)，平時以小於或(huo)等(deng)於(yu)光速(su)的速(su)度(du)傳(chuan)播(bo)。分(fen)開的波(bo)函數合(he)到壹(yi)起時，由相位引起的波(bo)函數幹(gan)涉相(xiang)長和相消(xiao)使得(de)微(wei)觀(guan)物體(ti)表(biao)現(xian)出(chu)波(bo)動性。”龍桂魯說(shuo)。

波(bo)函數的真實存在可(ke)以(yi)用“相(xiang)遇(yu)延(yan)遲(chi)選(xuan)擇實驗(yan)”來(lai)說(shuo)明(ming)。２２日(ri)，清華大(da)學(xue)理(li)科樓(lou)壹(yi)間裝(zhuang)滿(man)物理(li)學專(zhuan)業(ye)書籍(ji)和《左傳(chuan)》《資(zi)治(zhi)通鑒(jian)》國學經典的辦公(gong)室(shi)裏，龍桂魯這樣(yang)介(jie)紹這個有趣(qu)的實驗(yan)——

長(chang)方(fang)形(xing)馬赫曾德(de)幹(gan)涉儀(yi)裏，左下角有半透半反(fan)分(fen)束器，左上(shang)角、右(you)下角分(fen)別有全(quan)反(fan)射(she)鏡(jing)，右(you)上(shang)角根據需要放置(zhi)或者不(bu)放(fang)置(zhi)第(di)二(er)個分(fen)束器，右(you)上(shang)角的右(you)側和上(shang)邊(bian)各放(fang)壹個單光子探(tan)測器。路徑(jing)１在左(zuo)下角分(fen)束器反(fan)射(she)，沿(yan)著(zhe)左(zuo)邊(bian)，在左(zuo)上(shang)角反(fan)射(she)到右(you)上(shang)角；路徑(jing)２透(tou)過(guo)左(zuo)下角分(fen)束器，沿(yan)底邊(bian)經右(you)下角反(fan)射(she)到達右(you)上(shang)角。在幹(gan)涉實驗(yan)中(zhong)，不(bu)管(guan)第(di)二(er)分(fen)束器在還是(shi)不(bu)在，單光子總是(shi)同(tong)時在兩(liang)個路徑(jing)上(shang)通過(guo)。“相(xiang)遇(yu)延(yan)遲(chi)選(xuan)擇實驗(yan)”讓這兩(liang)條(tiao)路(lu)上(shang)的波(bo)函數相(xiang)遇(yu)後(hou)再決定是(shi)否插(cha)入(ru)第(di)二(er)個分(fen)束器，結(jie)果(guo)支(zhi)持(chi)了這種實在解(jie)釋(shi)。

“波(bo)函數經過(guo)*個分(fen)束器後(hou)分(fen)成了(le)兩(liang)部分(fen)，像(xiang)壹條(tiao)大(da)貪(tan)吃(chi)蛇(she)變成兩(liang)條(tiao)小貪吃(chi)蛇(she)壹樣(yang)，分(fen)別從(cong)路(lu)徑(jing)１和路徑(jing)２通過(guo)。如(ru)果(guo)沒有第(di)二(er)個分(fen)束器，則它(ta)們(men)相遇(yu)時‘不(bu)理(li)不(bu)睬’，各自(zi)到(dao)達兩(liang)個探(tan)測器，各有壹(yi)半的概率(lv)被探(tan)測到。當(dang)它(ta)們(men)在右(you)上(shang)角相遇(yu)，壹(yi)半已(yi)經通過(guo)幹(gan)涉儀(yi)時插入(ru)分(fen)束器，將兩(liang)束波(bo)函數‘齊(qi)腰(yao)截斷(duan)’，此(ci)時插入(ru)前(qian)已(yi)經通過(guo)的那(na)部分(fen)波(bo)函數依(yi)然‘不(bu)理(li)不(bu)睬’，各自(zi)到(dao)達兩(liang)個探(tan)測器。但余(yu)下的波(bo)函數在分(fen)束器中發(fa)生了幹(gan)涉並(bing)‘不(bu)舍(she)不(bu)棄(qi)’，全部到達右(you)邊(bian)探(tan)測器。如(ru)果(guo)多次(ci)重(zhong)復(fu)實驗(yan)，兩(liang)個探(tan)測器探(tan)測到光(guang)子的個數分(fen)別是(shi)總數的１／４和３／４。”龍桂魯說(shuo)。

專(zhuan)家(jia)評價(jia)，龍桂魯對(dui)波(bo)函數認識(shi)的突破(po)在於(yu)提(ti)出(chu)了(le)壹種實在詮(quan)釋(shi)——波(bo)函數就(jiu)是(shi)微觀(guan)物體(ti)的存在方(fang)式(shi)，打破(po)了“微(wei)觀粒(li)子只(zhi)是(shi)個小硬(ying)球”的傳統(tong)認識(shi)，顛覆(fu)了(le)約翰·惠(hui)勒提(ti)出(chu)的“延(yan)遲(chi)選(xuan)擇實驗(yan)”的結(jie)果(guo)，避(bi)免(mian)了(le)在微(wei)觀(guan)世界中違背因(yin)果(guo)規律(lv)。

“延(yan)遲(chi)選(xuan)擇實驗(yan)”是(shi)愛(ai)因(yin)斯坦(tan)的同(tong)事(shi)約翰·惠(hui)勒在１９７９年在紀念(nian)愛(ai)因(yin)斯坦(tan)誕(dan)辰１００周(zhou)年的討(tao)論(lun)會(hui)上(shang)提(ti)出(chu)的。實驗(yan)中(zhong)，惠勒(le)讓單光子先(xian)通過(guo)左(zuo)下角的分(fen)束器後(hou)，再決定是(shi)否放(fang)入(ru)第(di)二(er)個分(fen)束器，壹旦(dan)單光子選(xuan)擇了走壹條(tiao)道(dao)路，即使第(di)二(er)個分(fen)束器在，也(ye)不(bu)會(hui)發生幹涉。實驗(yan)情況是(shi)，不(bu)管(guan)後(hou)來(lai)決定(ding)還是(shi)之前(qian)決定(ding)是(shi)否放(fang)置(zhi)第(di)二(er)個分(fen)束器，結(jie)果(guo)*壹樣(yang)：放入(ru)則光子選(xuan)擇同(tong)時走兩(liang)條(tiao)道(dao)路(lu)，不(bu)放(fang)入(ru)則光子選(xuan)擇只(zhi)走(zou)壹(yi)條道路(lu)。單光子就(jiu)像(xiang)有預知的精靈，會根(gen)據(ju)第(di)二(er)個分(fen)束器是(shi)否存(cun)在來(lai)選擇所走的道路(lu)是(shi)壹條(tiao)還是(shi)兩(liang)條(tiao)！惠(hui)勒(le)認為，後(hou)發生的是(shi)否放(fang)入(ru)第(di)二(er)個分(fen)束器的事(shi)件(jian)影(ying)響(xiang)了先發生的單光子選(xuan)擇路線(xian)的事(shi)件(jian)，微觀(guan)世(shi)界不(bu)再遵守因(yin)果(guo)規律(lv)了(le)！

“我(wo)們(men)的觀點(dian)是(shi)，不(bu)管(guan)妳（第(di)二(er)個分(fen)束器）在，還是(shi)不(bu)在，我(wo)波(bo)函數就(jiu)在這裏——同(tong)時在兩(liang)條(tiao)路(lu)徑(jing)上(shang)。”龍桂魯說(shuo)。

量子理(li)論的誕(dan)生已(yi)有壹(yi)個世紀，量子世(shi)界依然“迷(mi)霧重重(zhong)”。正如(ru)尼爾(er)斯·玻(bo)爾(er)所言(yan)：誰(shui)要是(shi)*次聽(ting)到量子理(li)論而(er)沒(mei)有感(gan)到(dao)震(zhen)撼(han)，那(na)他(ta)壹定沒聽(ting)懂(dong)。

“我(wo)們(men)的詮(quan)釋(shi)用簡單易懂(dong)的圖像(xiang)理(li)解(jie)神(shen)秘(mi)的量子效(xiao)應，如(ru)量子隧(sui)道效應、雙狹(xia)縫幹(gan)涉實驗(yan)、量子糾(jiu)纏、非(fei)局(ju)域(yu)性(xing)和波(bo)粒二(er)象性(xing)等(deng)。”龍(long)桂魯說(shuo)。

龍(long)桂魯團隊長(chang)期從(cong)事(shi)量子信(xin)息(xi)研究，曾憑(ping)量子通信(xin)和量子算法的物理(li)基礎(chu)研究獲得(de)國家(jia)自(zi)然科學(xue)獎(jiang)二(er)等(deng)獎(jiang)。（完(wan)）