Lv.27微波波长

博科园VIP5

靓号：201486

国庆快乐

由“导波（pilot waves）”引导的油滴未能重现量子双缝实验，粉碎了量子单一、具体存在的百年梦想。2005年巴黎流体物理学家伊夫·库德实验室的一名学生偶然发现，当微小油滴落在振动的油浴表面时，油滴会发生反弹。此外当液滴反弹时，开始在液体表面蹦蹦跳跳。库德很快发现这些水滴“在自己的波浪上冲浪”，用他的话来说，它们弹跳时会踢起波浪，然后被波浪倾斜的轮廓推动。当库德看着飞溅的油滴时，他意识到这恰恰符合了法国物理学家路易斯·德布罗意设计的量子世界的早期景象，这种景象在很大程度上已经被遗忘。

博科园–科学科普：一个世纪前德布罗意拒绝放弃对现实的古典理解，尽管第一次粒子实验向大多数物理学家表明，在量子尺度上，现实并不像看上去的那样。量子力学标准“哥本哈根解释”由丹麦物理学家尼尔斯•玻尔提出，他打破了过去的说法，宣称在量子尺度上的任何东西在被观测到之前都不真实。表面上的事实就像粒子位置一样，只是偶然事件，由扩散的概率波定义，直到测量那一刻，当波神秘地坍缩成点，粒子跳跃，单一现实出现。在20世纪20年代，玻尔说服了大多数同时代人去接受概率宇宙的不可思议，自然的固有模糊性，以及令人费解的波粒二象性，但是一些物理学家持反对意见，爱因斯坦和德布罗意就是其中之一。

图片：Anders Andersen

德布罗意坚称量子尺度上的一切都完全正常，他设计了量子方面的实验，将波和粒子方面的光、电子和其他一切都视为完全有形。先“导波”理论设想粒子总有确定位置，通过真实的先导波引导进入空间，很像推动库德反射油滴的波。然而德布罗意无法确定导波的物理性质，于是努力将描述扩展到多个粒子。1927年在著名的索尔维会议上，一群杰出人士聚在一起讨论量子力学的意义，玻尔取得了胜利。78年后德布罗意对量子世界的第一波设想几乎不为人所知，当时巴黎的油滴开始反弹。突然库德和他的同事们设计出“模拟系统”，可以实验性地探索德布罗意的想法。

法国物理学家路易斯·德布罗意于1929年去世。图片：Unknown

发现液滴表现出了令人惊讶的量子性质，例如它们只是沿着特定的“量子化”轨道绕着液体槽中心移动，有时会像原子中的电子那样在轨道之间随意跳跃。麻省理工学院和其他地方很快涌现出弹跳液滴实验室，人们看到液滴穿过障碍物，进行独一无二的量子行为。在不带任何神秘色彩的情况下再现量子现象的过程中，弹着点实验重新点燃了一些物理学家对德布罗意梦想的研究，即量子尺度上的现实由导波和粒子组成，而不是由概率波和谜题组成。但自2015年以来一系列的弹跳油滴发现粉碎了这个梦想。

丹麦技术大学流体物理学家托马斯·玻尔与他的祖父、著名的量子力学先驱尼尔斯·玻尔合影留念。图片：Niels Busch for Quanta Magazine

流体动力学家保罗•米利夫斯基表示：“让我着迷于的实验是错误的”。被称为“双缝实验”的重复运行与库德最初结果相矛盾，并揭示了双缝实验是弹跳液滴类比和量子力学的导波断裂点。托马斯·玻尔是丹麦技术大学的一名教授，他从小就喜欢钻研祖父提出的谜语。七年前听闻库德的弹跳液滴实验，立刻就被激发了兴趣。表示真的对它很感兴趣，想看看通过实验是否真的能得到确定性的量子力学，考虑到我的家族关系，我觉得自己也有义务去做这件事。

1、量子力学的核心

物理学家理查德·费曼称双缝实验绝不可能以任何经典的方式来解释，并表示它具有量子力学的核心，事实上它包含着独一无二的奥秘。在实验中，粒子被射向阻挡层中的两个缝隙，而通过缝隙击中了远处另一边的传感器。任何一个粒子的最终位置让人十分惊讶，但如果把许多粒子射向裂缝，就会看到条纹在它们被探测到的位置出现，表明它们能去的地方和不能去的地方十分明显。条状图案表明，每个粒子实际上都是一个波，当遇到被撕裂的阻挡层，并同时通过两个狭缝，产生两个会聚和干扰的波阵面，在某些地方形成波峰，在两者之间相互抵消，每个粒子都会在这个奇怪的概率波波峰位置出现在传感器中。

更奇怪的是当添加第二个传感器并检测每个粒子通过的是哪个缝隙时，干涉条纹就消失了，这一次粒子直接通过它们选择的缝隙到达远端传感器上的两个点。为了解释双缝实验，一个哥本哈根科学家将会指出量子的不确定性，他认为每个粒子的轨迹都无法精确了解，因此只能通过波函数概率来定义。在穿过这两条缝隙并干扰另一边之后，代表粒子可能位置的波函数就会被传感器“折叠”，传感器会从各种可能性中选择一个单一现实。科学和哲学问题比比皆是；尼尔斯波尔倾向于用更多的问题来回答问题，他对此表示赞同。对于德布罗意来说，双缝实验不需要抽象、神秘的折叠波函数。

相反他设想了一个真正的粒子漂浮在导波上。粒子像浮木一样穿过双缝屏幕上的一个缝或另一个缝，就像导波穿过这两个缝一样。另一方面，粒子会到达导波的两个波阵面相互干扰的地方，而不会到达它们相互抵消的地方。德布罗意实际上从未推导出动力学方程来描述复杂的波粒-缝相互作用。但是当库德和伊曼纽尔·福特手里拿着弹跳的夜滴时，他们迅速地进行了这个双缝实验，并在2006年的《物理评论快报》上报告了结果。在记录了75个水滴通过双缝屏障的弹跳轨迹后，库德和福特认为他们在水滴的最终位置发现了粗糙的条纹——类似于干涉模式，似乎只能来自于先导波。

双缝干涉，被认为无法用任何经典方式解释。被潜在的量子含义吸引，流体动力学家约翰·布什在麻省理工学院建立了弹跳液滴实验室，并带领其他人找到了原因。托马斯·玻尔在2011年听到库德谈论他的研究结果，后来又与布什详细讨论了这些实验。波尔和安徒生在丹麦的团队，布什在麻省理工学院的团队，以及内布拉斯加大学量子物理学家赫尔曼·贝特兰领导的团队，都开始重复弹滴双缝实验。在完善实验设置，排除了气流，让油滴在导波上弹向两个狭缝后，没有一个小组看到库德和福特报告的类似干扰模式，水滴几乎是直线穿过缝隙，没有条纹出现。

丹麦技术大学的流体动力学家安德斯安德森领导了一项实验，该实验揭示了在导波引导下弹跳的油滴不会产生双缝干涉。图片：Niels Busch for Quanta Magazine

巴斯大学数学系系主任米利夫斯基说：对于我来说，双缝实验有点令人失望。布什在今年早些时候发表的研究显示，双缝干涉研究没有表现出丝毫干扰，但他仍然认为当找到合适的参数组合时，用导波产生干扰图或许可行，米利夫斯基也有同样希望。然而在丹麦小组报告零双缝结果的论文中，托马斯·玻尔提出了一个思想实验，似乎完全推翻了德布罗意的导波图。在假想的双缝实验的“格丹肯”版本中，粒子在到达裂隙阻挡层之前，必须经过一个或另一个中央分隔墙。在标准量子力学中，这道墙十分长，但这并不重要，代表粒子可能路径的波函数会绕着这道墙走两条路，穿过两条缝，并产生干扰。

托马斯·玻尔在著名的双缝实验上的变化考虑，如果一个粒子在穿过其中一个缝隙前必须走到中央隔墙的一边或另一边会发生什么，量子力学预测，这堵墙不会对产生的双缝干涉图样产生影响。然而导波理论预测，这堵墙将阻止干扰的产生。图片：Niels Busch for Quanta Magazine

在德布罗意的描述中，以及在弹射液滴实验中，整个过程的驱动力——粒子只能向一个方向运动。没有粒子或液滴的支持，波阵面在到达狭缝之前就消散了，而且没有生成干涉图样，丹麦研究人员用计算机模拟验证了这些论点。在解释他继续进行飞沫实验的决定时，这种情况的益处在于可以做实验。但分界墙思想实验以极其简单的形式突出了德布罗意思想的内在问题。在由粒子和导波局部间的相互作用驱动的量子现实中，失去了产生双缝干涉和其他非局部量子现象所必需的对称性。为了得到真正的量子力学结果，以民主的方式进入粒子可能路径非常重要，但是对于导波，因为一边携带粒子，而另一边不携带粒子，你永远不会得到真正的结果。

2、事件问题

有专家指出德布罗意理论注定会失败，在描述由相应导波引导的单个粒子时，德布罗意没有解释多个相互作用的粒子如何纠缠在一起，也没有解释一个单一、联合、非局域的波函数如何定义它们的特性，即使这些粒子已经相隔数光年。从20世纪70年代开始的纠缠光子实验证明量子力学必须非局域。像德布罗意这样的粒子和导波之间的局部相互作用理论需要从一个粒子跳到两个粒子才能解释非局部纠缠。到1987年去世之前德布罗意一直质疑关于非定域性和纠缠性的争论，并坚信真正的导波可能会以某种方式激起必要的长距离连接。

但在单粒子情况下，导波甚至不能产生双缝干涉，这个梦最终还是破碎了。早期德布罗意的确妥协过，他的理论在1952年被物理学家大卫·玻姆再次提出，现在被称为波米力学或德布罗意玻姆理论。20世纪70年代的证据表明，德布罗意玻姆理论与标准量子力学的预测完全一致。然而随着经典现实的恢复，新的谜团出现了，比如在空间中无处不在的数学波函数是如何或者为什么会在某些地方被固定在物理粒子上的。从这个角度看，量子力学也同样怪异，大多数物理学家都同意这一观点，但这实际上只是各自看法品味不同。

图片：Life Magazine circa 1958; courtesy of the Niels Bohr Archive

托马斯·玻尔将祖父关于自然界在量子尺度上怪异的确定性归因于尼尔斯·玻尔最重要的物理学研究：1913年对氢原子电子能级的计算。玻尔意识到，当电子在轨道之间跳跃，释放出量子化光包时这种情况并没有机械解释，无法将电子能级与旋转运动联系起来。可能比大多数人更清楚整个事情有多奇怪，只是在某种程度上具有哲学倾向，以至于他愿意接受大自然如此奇怪的事实，而大多数人并非如此。在过去几年里，托马斯经常想知道祖父对弹跳液滴实验的看法，可能会比我更快的了解提出者想法。