量子力学经典论战风波再起,这次换玻尔的孙子上场了

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  1927 年索尔维会议(Solvay Conference,著名的国际物理化学学精)上,众多杰出的物理学家相聚探讨量子力学的意义,出席会议的沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在会中指出,导航波理论无法适当处置非弹性散射(inelastic scattering)。德布罗意无法给出导航波身后的物理本质,最终还是玻尔革命性的理论取得了胜利。

  1929 年的法国物理学家德布罗意。图片来源:Quanta Magazine

  78 年后,导航波理论几乎已被世人遗忘,而忽然间库代等人在巴黎发现的油滴弹跳问题图片,成为了另另4个多多德布罗意猜想的“模拟系统”。

  “弹跳油滴”vs“双缝干涉”

  情况又有了再次反转。2015 年以来,世界各地的研究者们进行了一系列弹跳油滴的“双缝实验”(double-slit experiment),结果表明库代那次类似量子问题图片的惊人展示位于错误,击碎了其他物理学家的美梦。有趣的是,推翻德布罗意理论的人否有别人,正是尼尔斯·玻尔的孙子托马斯·玻尔(Tomas Bohr)。

  流体物理学家托马斯·玻尔与他的祖父、著名量子物理先驱尼尔斯·玻尔照片的合照。图片来源:Quanta Magazine

  “我当时有点硬想知道,到底能可不都还可以得到另另4个多多选着的量子力学理论。”考虑到我本人的家族史,他又补充:“可能性还带了点责任感,我其实我本人有义务见证最终结果。”

  双缝实验中,射向两条狭缝的粒子通过狭缝后被探测屏检测到。单个粒子在探测屏上经常出现的位置是随机的,但可能性射向双缝的粒子足够多,就能观察到干涉条纹。干涉条纹的经常出现表明了粒子的波动性,波会同時 通过两条狭缝,产生的另另4个多多波阵面相互汇聚、干涉形成条纹。在探测屏上,并否有神奇的概率波就会在波峰处物质化,成为粒子实体。但可能性用另另4个多多探测器来探测哪些粒子到底穿过的是哪条狭缝,干涉条纹就会消失:粒子会直接穿过某三根绳子 狭缝,在探测屏上只形成两条条纹。就好像概率波(波函数)塌缩了一样。玻尔的理论就很好地解释了并否有著名的实验。

  物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)称双缝实验“中含了量子力学的精华,隐藏着量子力学的终极规律”。

  德布罗意却认为双缝实验不还要用抽象的波函数塌缩来解释,相反,他认为粒子搭乘在真实位于的导航波上,即使导航波同時 通过两条狭缝,粒子却像漂流瓶那样随导航波只通过其中之一,而后经常出现在导航波的波阵面干涉相长的地方。但他从未真正推导出能支持导航波理论的动力学方程。

  弹跳油滴实验经常出现后,库代和伊曼纽尔·福特(Emmanuel Fort)迅速就进行了双缝实验,在记录了 75 个弹跳油滴通过双缝的轨迹然后,朋友称在油滴的落点处观察到了类似于干涉的条纹,而这似乎能可不都还可以了来源于导航波。然后认为“可能性性用任何经典理论来解释”的双缝干涉,这次在朋友的眼皮下明明白白地位于了。朋友惊人的结果发表在了 4006 年的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

  受潜在量子规律的吸引,流体动力学家约翰·布什(John Bush)的团队在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)继续探寻是导致 。同样进行着弹跳油滴的双缝实验的,还有丹麦技术大学(Technical University of Denmark)的托马斯·玻尔和安诺斯·安诺生(Anders Andersen),以及内布拉斯加大学(University of Nebraska)的量子物理学家赫尔曼·贝特兰(Herman Batelaan)团队。在完善了实验装置、排除了气流的影响,让油滴随导航波通过双缝后,另另4个多多团队都能可不都还可以了 观察到库代朋友所说的干涉条纹。油滴几乎是直线穿过了双缝,能可不都还可以了 条纹经常出现。布什关于双缝实验的精确结果已于今年早些然后发表。

  库代和福特团队然后的错误最终被归因于噪音、最好的办法有误和统计不充分。

  安诺斯·安诺生,丹麦技术大学流体动力学家。图片来源:Quanta Magazine

  将德布罗意理论全部推翻?

  “双缝实验令我有点硬失望,” 巴斯大学(University of Bath)数学科学系主任米保罗·米莱夫斯基(Paul Milewski)说。但布什和米莱夫斯基认为,可能性油浴细胞层的振动频率等参数离米 ,或许再去掉 必要的噪音,还是有希望获得导航波的干涉条纹的。

  在报道丹麦团队双缝实验结果的论文中,托马斯·玻尔提出了另另4个多多思想实验,似乎能全部推翻德布罗意的导航波理论。

  他设想,在另另4个多多狭缝中央加另另4个多多分隔板,粒子在到达有狭缝还要先经过分隔板的某一侧。在标准量子力学中,分隔板能可不都还可以很长,波函数会同時 通过分割板的两侧,穿过两条狭缝产生干涉,否则分隔板不必影响实验结果。但在德布罗意的设想和弹跳油滴的实验中,粒子能可不都还可以了通过分隔板的一侧,而与通过另一侧的导航波抛弃联系,导航波一旦抛弃与粒子或油滴的联系,它的波阵面还没到狭缝就会消失,干涉问题图片也就不必产生。丹麦的研究者用计算机模拟验证了并否有论点。

  托马斯·玻尔的思想实验。图片来源:Quanta Magazine

  布什却表示:“我不喜欢哪些‘思想’实验。弹跳油滴实验的妙位于于,你能真实地做出来。”否则分隔板思想实验以极简单的最好的办法突出了德布罗意理论的本质问题图片:在由粒子和导航波的定域相互作用驱动的量子现实中,双缝干涉等非定域量子问题图片抛弃了必要的对称性。(编者注:在物理学中,定域性原理认为另另4个多多特定物体能可不都还可以了被它周围的力量影响;非定域性有时也称为不选着性,在量子力学中,在其定义范围内某个物理量能可不都还可以了选着更小选着范围的性质,称为量子非定域性。)

  托马斯·玻尔说:“要想获得真正的量子力学结果,粒子可能性路径的平衡是十分重要的,”但可能性导航波 “一边携中含粒子而一边能可不都还可以了 ,两边可能性性平衡,这打破了量子力学中非常重要的对称性。”

  理论二选一只是喜好问题图片?

  20世纪70年代以来的纠缠光子实验就可能性证明:量子力学还只是非定域的。类似德布罗意理论并否有涉及粒子与其导航波定域相互作用的理论,先要解释非定域纠缠问题图片。

  玻尔祖孙三代照片。图片来源:尼尔斯·玻尔档案馆

  直到 1987 年去世,德布罗意仍在质疑非定域性和量子纠缠的争论,他认为真实的导航波可不都还可以以并否有最好的办法激发长距离联系。直到现在,其他在做弹跳油滴实验的研究者还在固执地坚持着德布罗意略显荒谬的设想。

  1952 年,物理学家大卫·玻姆(David Bohm)重提过德布罗意的理论,也只是现在的玻姆力学(Bohmian mechanics)或德布罗意-玻姆理论(Broglie-Bohm theory)。在并否有理论设想中,抽象的波函数和实体粒子遍布整个空间,也和哥本哈根理论一样玄妙。否则加入具体粒子并否有经典实体元素后,理论产生了新的谜团,比如空间中无处沒有的数学波函数如何限定在物理颗粒上?

  “从并否有淬硬层 看,量子力学也是个挺奇怪的理论,”托马斯·玻尔说。物理学家大多也都同意,可能性两者实验预测一致,选着哪个只是喜好的问题图片。

  “我其实爷爷会对弹跳油滴实验很感兴趣,” 托马斯·玻尔笑着说,“他可能性会比我迅速有我本人的结论,但他同時 也会认为,创发明家 另另4个多多与德布罗意理论能可不都还可以了 契合的系统,朋友说太巧妙了。”