“你在或不在，我就在這里”——科學家巧設實驗詮釋量子力學波函數真實存在

“你在或不在，我就在這里”——科學家巧設實驗詮釋量子力學波函數真實存在

新華社記者余曉潔

量子力學是與相對論比肩的２０世紀偉大的科學發現，催生了諸如激光、半導體、核能等高新技術。

盡管量子力學深刻變革著人類生活，但用于描述微觀粒子狀態的波函數的本質究竟是什么，至今懸而未決。哥本哈根概率波理論、德布羅意導航波理論、多理論……物理學家們提出各種假設和詮釋，卻未達成共識。作為主流量子力學解釋的哥本哈根學派認為波函數只是數學描述。

近，清華大學教授龍桂魯提出“波函數是微觀物體的真實存在”的全新觀點，創造性地設計了“相遇延遲選擇實驗”，并領導團隊成功完成實驗。這項研究成果發表在近期的《科學》上。

“我認為微觀物體的波函數就是它的存在形式，彌散在空間中，具有振幅和相位，測量時波函數塌縮速度無窮大，平時以小于或等于光速的速度傳播。分開的波函數合到一起時，由相位引起的波函數干涉相長和相消使得微觀物體表現出波動性。”龍桂魯說。

波函數的真實存在可以用“相遇延遲選擇實驗”來說明。２２日，清華大學理科樓一間裝滿物理學專業書籍和《左傳》《資治通鑒》國學經典的辦公室里，龍桂魯這樣介紹這個有趣的實驗——

長方形馬赫曾德干涉儀里，左下角有半透半反分束器，左上角、右下角分別有全反射鏡，右上角根據需要放置或者不放置第二個分束器，右上角的右側和上邊各放一個單光子探測器。路徑１在左下角分束器反射，沿著左邊，在左上角反射到右上角；路徑２透過左下角分束器，沿底邊經右下角反射到達右上角。在干涉實驗中，不管第二分束器在還是不在，單光子總是同時在兩個路徑上通過。“相遇延遲選擇實驗”讓這兩條路上的波函數相遇后再決定是否插入第二個分束器，結果支持了這種實在解釋。

“波函數經過個分束器后分成了兩部分，像一條大貪吃蛇變成兩條小貪吃蛇一樣，分別從路徑１和路徑２通過。如果沒有第二個分束器，則它們相遇時‘不理不睬’，各自到達兩個探測器，各有一半的概率被探測到。當它們在右上角相遇，一半已經通過干涉儀時插入分束器，將兩束波函數‘齊腰截斷’，此時插入前已經通過的那部分波函數依然‘不理不睬’，各自到達兩個探測器。但余下的波函數在分束器中發生了干涉并‘不舍不棄’，全部到達右邊探測器。如果多次重復實驗，兩個探測器探測到光子的個數分別是總數的１／４和３／４。”龍桂魯說。

評價，龍桂魯對波函數認識的突破在于提出了一種實在詮釋——波函數就是微觀物體的存在方式，打破了“微觀粒子只是個小硬球”的傳統認識，顛覆了約翰·惠勒提出的“延遲選擇實驗”的結果，避免了在微觀中違背因果規律。

“延遲選擇實驗”是愛因斯坦的同事約翰·惠勒在１９７９年在紀念愛因斯坦誕辰１００周年的討論會上提出的。實驗中，惠勒讓單光子先通過左下角的分束器后，再決定是否放入第二個分束器，一旦單光子選擇了走一條道路，即使第二個分束器在，也不會發生干涉。實驗情況是，不管后來決定還是之前決定是否放置第二個分束器，結果完全一樣：放入則光子選擇同時走兩條道路，不放入則光子選擇只走一條道路。單光子就像有預知的精靈，會根據第二個分束器是否存在來選擇所走的道路是一條還是兩條！惠勒認為，后發生的是否放入第二個分束器的事件影響了先發生的單光子選擇路線的事件，微觀不再遵守因果規律了！

“我們的觀點是，不管你（第二個分束器）在，還是不在，我波函數就在這里——同時在兩條路徑上。”龍桂魯說。

量子理論的誕生已有一個世紀，量子依然“迷霧重重”。正如尼爾斯·玻爾所言：誰要是次聽到量子理論而沒有感到震撼，那他一定沒聽懂。

“我們的詮釋用簡單易懂的圖像理解神秘的量子效應，如量子隧道效應、雙狹縫干涉實驗、量子糾纏、非局域性和波粒二象性等。”龍桂魯說。

龍桂魯團隊長期從事量子信息研究，曾憑量子通信和量子算法的物理基礎研究獲得自然科學獎二等獎。（完）