我們對雙縫實驗的理解可能是錯的

我們對雙縫實驗的理解可能是錯的
(Olena Shmahalo)

量子力學中那麼多讀不懂的概念中,最讓人迷糊的可能要數「粒子在不被觀察時沒有確定的位置」。以哥本哈根詮釋詮釋為首的正統量子力學卻偏偏試圖讓我們相信,粒子存在於被一種叫做波函數的數學架構所確定的概率雲中。波函數自身又不斷演化,在一種叫做薛定諤方程的東西的制約下隨著時間變化。

數學算得清楚:波函數會在觀察時「坍塌」,那時我們才能確定例子的真實位置。但許多科學家不喜歡這種觀點。愛因斯坦就曾經發問:是不是只有你看它的時候,月亮才會存在?

但有另外一種同樣有著近百年的歷史的解釋,宣稱粒子始終擁有確定的位置。這種解釋被稱為導航波理論(pilot-wave theory)或玻姆力學(Bohmian mechanics)。它從未獲得與哥本哈根詮釋相當的重視。但今年早些時候(《環球科學》曾作報導), 一組加拿大的研究者進行的實驗或許改變了我們對這種奇異理論的看法。

粒子,你在哪裡

導航波理論最早在1927年由德布羅意(Louis de Broglie)提出。玻姆(David Bohm)在1952年開始接手,一直研究到1992年離世。(因此該理論也被稱為德布羅意-玻姆理論。)它與玻爾(Niels Bohr)的哥本哈根詮釋試圖解決的是同一個問題。人們常用雙縫實驗來展現這個問題。費曼就曾說過,雙縫實驗「處於量子力學的中心」,「不可能,完全不可能用經典力學來進行解釋。」

我們對雙縫實驗的理解可能是錯的
當光同時射向偵測屏前的兩條狹縫,會出現波一樣的干涉圖樣(上)。但當粒子一個接一個射向偵測屏時,似乎每個粒子都同時通過了兩條狹縫(下),帶有波的性質。(Akira Tonomura/Creative Commons)

德布羅意同樣設計了由薛定諤方程決定的波函數。但在那之外,有個「導航波函數」,或「引導方程」(guiding equation),決定了粒子真實確定的位置。如果知道波函數,又有了系統的初始狀態,那就能計算出粒子在未來任何一刻的確定位置。

我們對雙縫實驗的理解可能是錯的

乘波踏浪

這聽起來可能像是一種回到經典力學的倒退,但二者截然不同。經典力學有著定域性(locality):物體只能直接或通過某種場來影響周圍的物體。但量子尺度下的玻姆力學建立在非定域的波函數上。波函數沒有地理上的限制:理論上可以橫跨整個宇宙。

於是在波姆力學裡,依賴著隨時間演化的波函數,如果我們能知曉某一時刻宇宙中所有粒子的具體狀態,我們就能計算出整個宇宙的未來。

索爾維會議上,愛因斯坦反駁了玻爾的不確定性——「上帝不擲骰子」。但他同樣沒有支持德布羅意的觀點。到了1932年,馮·諾依曼(John von Neumann)在用德語寫下的論文中自稱證明了量子力學中的「隱變量」(hidden variables)不存在。在該計算被證偽前的三十多年裡,大多數物理學家沒讀過原文翻譯就放棄了導航波理論。玻姆在1952年的嘗試也沒能將導航波理論救活。

我們對雙縫實驗的理解可能是錯的
1927年的第五屆索爾維會議,29位參會者中有17位諾獎得主。德布羅意(中排右三)提出了導航波理論,但玻爾(中排右一)的哥本哈根詮釋占了上風。

北愛爾蘭物理學家John Stewart Bell展示了自己對導航波理論的支持,卻被許多業內專家誤解為展現隱變量的不可能。到了現在,正統量子力學中的概率論公式已經與愛因斯坦的狹義相對論所結合,發展出了宏大又精細的標準模型。駕馭量子世界的不確定性已經成為了物理學家的信條,導航波理論再也沒有被寫入教科書中。

亞原子現實

1992年,一篇以作者姓氏首字母命名的「ESSW」論文更是給了導航波理論沉重一擊。在該論文的雙縫實驗中,通過左狹縫的中子會被記錄為從右狹縫通過。多倫多大學物理學家Aephraim Steinberg感言:「這傷害了我對波姆力學的愛。」

二十多年後,Steinberg和他的同事們終於找到了反攻的機會。在《科學》子刊Science Advances上發表的一篇論文中,他們發現,例子確實會展現出這樣看似「超自然」(surreal)的運動軌跡。可一旦考慮到波姆力學中的非定域性,這樣的特性就很好理解。

原文摘要:Experimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories

研究者們在大量實驗後發現,對於兩顆處於糾纏態的中子,第二顆中子的軌跡中含有了第一顆的信息。因為兩顆中子互相影響,相比之下第一顆中子的軌跡就顯得離奇。波姆力學預見了這樣軌跡的存在。一些MIT和法國近年的研究也給出了不同角度的支持。Steinberg表示:「沒有什麼真正衝突的地方。你只是得時刻考慮非定域性,不然你就會錯過很重要的東西。」

比光速還快

回到歷史的長河裡,愛因斯坦活著看見了玻姆對德布羅意設想的拯救。但他仍瞧不起這種把事情看得過於簡單的理論。在1952年給玻恩(Max Born)的信中,他寫道

你注意到玻姆相信(其實德布羅意在25年前也相信)他能用確定性的方式詮釋量子理論了嗎?對我來說這有點太不費力了。當然,你在這事上比我更有資格判斷。

即便是對於那些堅信玻姆力學的人,還是有些問題沒能得到解答。首先是該理論涉及的超光速作用與狹義相對論似乎產生了矛盾。導航波深深依賴於非定域性。兩個粒子之間的相互作用關係一旦建立就永遠無法消除,即便二者之間隔著整個宇宙的距離。現代物理學尚未能對量子糾纏與超光速通信關係解釋清楚。

「宇宙似乎是在以超過光速的速度與自己對話,」Steinberg說,「我能理解宇宙中沒有什麼東西能快過光速,但在這個內部工作超過光速的世界裡,我們卻不能在宏觀尺度上利用這些特性,就真的說不過去了。」

[via Quanta Magazine 1, 2]

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