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中国科学家巧设实验诠释量子力学波函数真实存在

发布时间:2018-02-23 11:39:27   来源:新华网  

量子力学是与相对论比肩的20世纪伟大的科学发现,催生了诸如激光、半导体、核能等高新技术。

尽管量子力学深刻变革着人类生活,但用于描述微观粒子状态的波函数的本质究竟是什么,至今悬而未决。哥本哈根概率波理论、德布罗意导航波理论、多世界理论……物理学家们提出各种假设和诠释,却未达成共识。作为主流量子力学解释的哥本哈根学派认为波函数只是数学描述。

最近,清华大学教授龙桂鲁提出“波函数是微观物体的真实存在”的全新观点,创造性地设计了“相遇延迟选择实验”,并领导团队成功完成实验。这项研究成果发表在近期的《中国科学》上。

“我认为微观物体的波函数就是它的存在形式,弥散在空间中,具有振幅和相位,测量时波函数塌缩速度无穷大,平时以小于或等于光速的速度传播。分开的波函数合到一起时,由相位引起的波函数干涉相长和相消使得微观物体表现出波动性。”龙桂鲁说。

波函数的真实存在可以用“相遇延迟选择实验”来说明。22日,清华大学理科楼一间装满物理学专业书籍和《左传》《资治通鉴》国学经典的办公室里,龙桂鲁这样介绍这个有趣的实验——

长方形马赫曾德干涉仪里,左下角有半透半反分束器,左上角、右下角分别有全反射镜,右上角根据需要放置或者不放置第二个分束器,右上角的右侧和上边各放一个单光子探测器。路径1在左下角分束器反射,沿着左边,在左上角反射到右上角;路径2透过左下角分束器,沿底边经右下角反射到达右上角。在干涉实验中,不管第二分束器在还是不在,单光子总是同时在两个路径上通过。“相遇延迟选择实验”让这两条路上的波函数相遇后再决定是否插入第二个分束器,结果支持了这种实在解释。

“波函数经过第一个分束器后分成了两部分,像一条大贪吃蛇变成两条小贪吃蛇一样,分别从路径1和路径2通过。如果没有第二个分束器,则它们相遇时‘不理不睬’,各自到达两个探测器,各有一半的概率被探测到。当它们在右上角相遇,一半已经通过干涉仪时插入分束器,将两束波函数‘齐腰截断’,此时插入前已经通过的那部分波函数依然‘不理不睬’,各自到达两个探测器。但余下的波函数在分束器中发生了干涉并‘不舍不弃’,全部到达右边探测器。如果多次重复实验,两个探测器探测到光子的个数分别是总数的1/4和3/4。”龙桂鲁说。

专家评价,龙桂鲁对波函数认识的突破在于提出了一种实在诠释——波函数就是微观物体的存在方式,打破了“微观粒子只是个小硬球”的传统认识,颠覆了约翰·惠勒提出的“延迟选择实验”的结果,避免了在微观世界中违背因果规律。

“延迟选择实验”是爱因斯坦的同事约翰·惠勒在1979年在纪念爱因斯坦诞辰100周年的讨论会上提出的。实验中,惠勒让单光子先通过左下角的分束器后,再决定是否放入第二个分束器,一旦单光子选择了走一条道路,即使第二个分束器在,也不会发生干涉。实验情况是,不管后来决定还是之前决定是否放置第二个分束器,结果完全一样:放入则光子选择同时走两条道路,不放入则光子选择只走一条道路。单光子就像有预知的精灵,会根据第二个分束器是否存在来选择所走的道路是一条还是两条!惠勒认为,后发生的是否放入第二个分束器的事件影响了先发生的单光子选择路线的事件,微观世界不再遵守因果规律了!

“我们的观点是,不管你(第二个分束器)在,还是不在,我波函数就在这里——同时在两条路径上。”龙桂鲁说。

量子理论的诞生已有一个世纪,量子世界依然“迷雾重重”。正如尼尔斯·玻尔所言:谁要是第一次听到量子理论而没有感到震撼,那他一定没听懂。

“我们的诠释用简单易懂的图像理解神秘的量子效应,如量子隧道效应、双狭缝干涉实验、量子纠缠、非局域性和波粒二象性等。”龙桂鲁说。

龙桂鲁团队长期从事量子信息研究,曾凭量子通信和量子算法的物理基础研究获得国家自然科学奖二等奖。

责任编辑:杨博文

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