量子力学经典论战风波再起,这次换玻尔的孙子上场了
2018-10-26 10:10:20
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来源:Quanta Magazine

  91 年前的索尔维会议上,玻尔提出的波粒二象性理论击败德布罗意的导航波理论,赢得了多数物理学家的认可。然而最近,一个油滴实验令学界不得不重新思考这场纷争。

  2005 年,巴黎的一名学生偶然做了一个“弹跳油滴实验”(bouncing-droplet experiment),发现了可能颠覆玻尔量子力学理论的现象:当微小油滴落在振动油浴表面时,它会在油浴表面上下弹跳,并具有隧穿障碍物等行为,能够在不带任何神秘色彩的情况下重现量子现象!

  这名学生所在的实验室由流体物理学家伊夫·库代(Yves Couder)领头,库代将其描述为“油滴在油面上冲浪”,他们发现弹跳的油滴在围绕油面中心转动时,只沿某些“量子化”的轨道运动,有时还会弹跳到另一个量子轨道上,这与电子在原子核中的运动十分相似。

  库代猛然意识到,他们可能实现了一个被遗忘多年的量子构想。这一构想由法国物理学家路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)提出,与现在普遍接受的尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)主张的量子力学标准“哥本哈根诠释”(Copenhagen interpretation)有着完全不同的量子解释。

  玻尔与德布罗意之争

  一个世纪前,第一次粒子实验产生了匪夷所思的结果。丹麦物理学家玻尔提出了量子力学标准“哥本哈根诠释”,打破了传统,宣称在量子尺度上被观测之前一切都是“不真实”的。粒子的位置不再是“确定的”,而是在测量之前是随机的,由概率波函数(probability wave function)决定。在测量的一瞬间:波函数塌缩成一个点,粒子飞跃至这一点,它的位置才真正成为“现实”。

  当时的大多数物理学家都被玻尔说服,接受了这一不可思议的概率宇宙:自然界是测不准的,世间万物都有着令人费解的波粒二象性(wave-particle duality)。

  然而阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和德布罗意却提出异议,爱因斯坦说:“上帝不掷骰子”;德布罗意则坚信量子尺度上的现象并不玄妙,是和现实世界一样“真实的”,光子、电子等一切物质的粒子性和波动性都是明确的。他还提出了“导航波”理论(“pilot-wave” theory),即每一粒子都具有决定性(非随机)的轨迹或空间位置,由真实存在的波函数(导航波)引导——与库代实验中推动油滴反弹的波浪相似。

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

  1927 年索尔维会议(Solvay Conference,著名的国际物理化学研究会)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理非弹性散射(inelastic scattering)。德布罗意无法给出导航波背后的物理本质,最终还是玻尔革命性的理论取得了胜利。

  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现象,成为了一个德布罗意猜想的“模拟系统”。

  “弹跳油滴”vs“双缝干涉”

  情形又有了再次反转。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现象的惊人展示存在错误,击碎了一些物理学家的美梦。有趣的是,推翻德布罗意理论的人不是别人,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

  “我当时特别想知道,到底能不能得到一个确定的量子力学理论。”考虑到自己的家族史,他又补充:“可能还带了点责任感,我觉得自己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出现的位置是随机的,但如果射向双缝的粒子足够多,就能观察到干涉条纹。干涉条纹的出现表明了粒子的波动性,波会同时通过两条狭缝,产生的两个波阵面相互汇聚、干涉形成条纹。在探测屏上,这种神奇的概率波就会在波峰处物质化,成为粒子实体。但如果用另一个探测器来探测这些粒子到底穿过的是哪条狭缝,干涉条纹就会消失:粒子会直接穿过某一条狭缝,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这一著名的实验。

  物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)称双缝实验“蕴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需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存在的导航波上,即使导航波同时通过两条狭缝,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。

  弹跳油滴实验出现后,库代和伊曼纽尔·福特(Emmanuel Fort)很快就进行了双缝实验,在记录了 75 个弹跳油滴通过双缝的轨迹之后,他们称在油滴的落点处观察到了类似于干涉的条纹,而这似乎只能来源于导航波。之前认为“不可能用任何经典理论来解释”的双缝干涉,这次在大家的眼皮下明明白白地发生了。他们惊人的结果发表在了 2006 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)继续探寻原因。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,三个团队都没有观察到库代他们所说的干涉条纹。油滴几乎是直线穿过了双缝,没有条纹出现。布什关于双缝实验的精确结果已于今年早些时候发表。

  库代和福特团队之前的错误最终被归因于噪音、方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

  将德布罗意理论完全推翻?

  “双缝实验令我有点失望,” 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,如果油浴表面的振动频率等参数合适,或许再加上必要的噪音,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·玻尔提出了一个思想实验,似乎能完全推翻德布罗意的导航波理论。

  他设想,在两个狭缝中央加一个分隔板,粒子在到达有狭缝前要先经过分隔板的某一侧。在标准量子力学中,分隔板可以很长,波函数会同时通过分割板的两侧,穿过两条狭缝产生干涉,因此分隔板不会影响实验结果。但在德布罗意的设想和弹跳油滴的实验中,粒子只能通过分隔板的一侧,而与通过另一侧的导航波失去联系,导航波一旦失去与粒子或油滴的联系,它的波阵面还没到狭缝就会消失,干涉现象也就不会产生。丹麦的研究者用计算机模拟验证了这一论点。

托马斯·玻尔的思想实验。图片来源:Quanta Magazine

  布什却表示:“我不喜欢什么‘思想’实验。弹跳油滴实验的妙处在于,你能真实地做出来。”但是分隔板思想实验以极简单的方式突出了德布罗意理论的本质问题: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现象失去了必要的对称性。(编者注:在物理学中,定域性原理认为一个特定物体只能被它周围的力量影响;非定域性有时也称为不确定性,在量子力学中,在其定义范围内某个物理量不能确定更小确定范围的性质,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,粒子可能路径的平衡是十分重要的,”但由于导航波 “一边携带有粒子而一边没有,两边不可能平衡,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?

  20世纪70年代以来的纠缠光子实验就已经证明:量子力学必须是非定域的。类似德布罗意理论这种涉及粒子与其导航波定域相互作用的理论,很难解释非定域纠缠现象。

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也能以某种方式激发长距离联系。直到现在,一些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,也就是现在的玻姆力学(Bohmian mechanics)或德布罗意-玻姆理论(Broglie-Bohm theory)。在这一理论设想中,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。但是加入具体粒子这一经典实体元素后,理论产生了新的谜团,比如空间中无处不在的数学波函数如何限定在物理颗粒上?

  “从这个角度看,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,因为两者实验预测一致,选择哪个只是喜好的问题。

  “我觉得爷爷会对弹跳油滴实验很感兴趣,” 托马斯·玻尔笑着说,“他可能会比我更快有自己的结论,但他同时也会认为,创造出一个与德布罗意理论如此契合的系统,简直太巧妙了。”

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