來源 Quanta Magazine

編譯 賈曉璇 明小

審校 明小 向菲菲 唐昭

編輯 戚譯引

2005 年，巴黎的一名學(xué)生偶然做了一個(gè)“彈跳油滴實(shí)驗(yàn)”（bouncing-droplet experiment）,，發(fā)現(xiàn)了可能顛覆玻爾量子力學(xué)理論的現(xiàn)象：當(dāng)微小油滴落在振動(dòng)油浴表面時(shí),，它會(huì)在油浴表面上下彈跳，并具有隧穿障礙物等行為,，能夠在不帶任何神秘色彩的情況下重現(xiàn)量子現(xiàn)象,！

這名學(xué)生所在的實(shí)驗(yàn)室由流體物理學(xué)家伊夫·庫(kù)代（Yves Couder）領(lǐng)頭，庫(kù)代將其描述為“油滴在油面上沖浪”,，他們發(fā)現(xiàn)彈跳的油滴在圍繞油面中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),，只沿某些“量子化”的軌道運(yùn)動(dòng)，有時(shí)還會(huì)彈跳到另一個(gè)量子軌道上,，這與電子在原子核中的運(yùn)動(dòng)十分相似,。

庫(kù)代猛然意識(shí)到,，他們可能實(shí)現(xiàn)了一個(gè)被遺忘多年的量子構(gòu)想。這一構(gòu)想由法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）提出,，與現(xiàn)在普遍接受的尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）主張的量子力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)“哥本哈根詮釋”（Copenhagen interpretation）有著完全不同的量子解釋,。

玻爾與德布羅意之爭(zhēng)

一個(gè)世紀(jì)前，第一次粒子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了匪夷所思的結(jié)果,。丹麥物理學(xué)家玻爾提出了量子力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)“哥本哈根詮釋”,，打破了傳統(tǒng),，宣稱在量子尺度上被觀測(cè)之前一切都是“不真實(shí)”的,。粒子的位置不再是“確定的”，而是在測(cè)量之前是隨機(jī)的,，由概率波函數(shù)（probability wave function）決定,。在測(cè)量的一瞬間：波函數(shù)塌縮成一個(gè)點(diǎn)，粒子飛躍至這一點(diǎn),，它的位置才真正成為“現(xiàn)實(shí)”,。

當(dāng)時(shí)的大多數(shù)物理學(xué)家都被玻爾說服，接受了這一不可思議的概率宇宙：自然界是測(cè)不準(zhǔn)的,，世間萬物都有著令人費(fèi)解的波粒二象性（wave-particle duality）,。

然而阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和德布羅意卻提出異議，愛因斯坦說：“上帝不擲骰子”,；德布羅意則堅(jiān)信量子尺度上的現(xiàn)象并不玄妙,，是和現(xiàn)實(shí)世界一樣“真實(shí)的”，光子,、電子等一切物質(zhì)的粒子性和波動(dòng)性都是明確的,。他還提出了“導(dǎo)航波”理論（“pilot-wave” theory），即每一粒子都具有決定性（非隨機(jī)）的軌跡或空間位置,，由真實(shí)存在的波函數(shù)（導(dǎo)航波）引導(dǎo)——與庫(kù)代實(shí)驗(yàn)中推動(dòng)油滴反彈的波浪相似,。

1929 年的法國(guó)物理學(xué)家德布羅意。圖片來源：Quanta Magazine

1927 年索爾維會(huì)議（Solvay Conference,，著名的國(guó)際物理化學(xué)研究會(huì)）上,，眾多杰出的物理學(xué)家相聚探討量子力學(xué)的意義，出席會(huì)議的沃爾夫?qū)づ堇?/span>（Wolfgang Pauli）在會(huì)中指出,，導(dǎo)航波理論無法適當(dāng)處理非彈性散射（inelastic scattering）,。德布羅意無法給出導(dǎo)航波背后的物理本質(zhì)，最終還是玻爾革命性的理論取得了勝利,。

78 年后,，導(dǎo)航波理論幾乎已被世人遺忘，而忽然間庫(kù)代等人在巴黎發(fā)現(xiàn)的油滴彈跳現(xiàn)象,，成為了一個(gè)德布羅意猜想的“模擬系統(tǒng)”,。

“彈跳油滴”vs“雙縫干涉”

情形又有了再次反轉(zhuǎn),。2015 年以來，世界各地的研究者們進(jìn)行了一系列彈跳油滴的“雙縫實(shí)驗(yàn)”（double-slit experiment）,，結(jié)果表明庫(kù)代那次類似量子現(xiàn)象的驚人展示存在錯(cuò)誤,，擊碎了一些物理學(xué)家的美夢(mèng)。有趣的是,，推翻德布羅意理論的人不是別人,，正是尼爾斯·玻爾的孫子托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）。

流體物理學(xué)家托馬斯·玻爾與他的祖父,、著名量子物理先驅(qū)尼爾斯·玻爾照片的合照,。圖片來源：Quanta Magazine

“我當(dāng)時(shí)特別想知道，到底能不能得到一個(gè)確定的量子力學(xué)理論,?！笨紤]到自己的家族史，他又補(bǔ)充：“可能還帶了點(diǎn)責(zé)任感,，我覺得自己有義務(wù)見證最終結(jié)果,。”

雙縫實(shí)驗(yàn)中,，射向兩條狹縫的粒子通過狹縫后被探測(cè)屏檢測(cè)到,。單個(gè)粒子在探測(cè)屏上出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的，但如果射向雙縫的粒子足夠多,，就能觀察到干涉條紋,。干涉條紋的出現(xiàn)表明了粒子的波動(dòng)性，波會(huì)同時(shí)通過兩條狹縫,，產(chǎn)生的兩個(gè)波陣面相互匯聚,、干涉形成條紋。在探測(cè)屏上,，這種神奇的概率波就會(huì)在波峰處物質(zhì)化,，成為粒子實(shí)體。但如果用另一個(gè)探測(cè)器來探測(cè)這些粒子到底穿過的是哪條狹縫,，干涉條紋就會(huì)消失：粒子會(huì)直接穿過某一條狹縫,，在探測(cè)屏上只形成兩條條紋。就好像概率波（波函數(shù)）塌縮了一樣,。玻爾的理論就很好地解釋了這一著名的實(shí)驗(yàn),。

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）稱雙縫實(shí)驗(yàn)“蘊(yùn)含了量子力學(xué)的精華，隱藏著量子力學(xué)的終極規(guī)律”,。

德布羅意卻認(rèn)為雙縫實(shí)驗(yàn)不需要用抽象的波函數(shù)塌縮來解釋,，相反，他認(rèn)為粒子搭乘在真實(shí)存在的導(dǎo)航波上，即使導(dǎo)航波同時(shí)通過兩條狹縫,，粒子卻像漂流瓶那樣隨導(dǎo)航波只通過其中之一,，而后出現(xiàn)在導(dǎo)航波的波陣面干涉相長(zhǎng)的地方。但他從未真正推導(dǎo)出能支持導(dǎo)航波理論的動(dòng)力學(xué)方程,。

彈跳油滴實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)后,，庫(kù)代和伊曼紐爾·福特（Emmanuel Fort）很快就進(jìn)行了雙縫實(shí)驗(yàn)，在記錄了 75 個(gè)彈跳油滴通過雙縫的軌跡之后,，他們稱在油滴的落點(diǎn)處觀察到了類似于干涉的條紋,，而這似乎只能來源于導(dǎo)航波。之前認(rèn)為“不可能用任何經(jīng)典理論來解釋”的雙縫干涉,，這次在大家的眼皮下明明白白地發(fā)生了,。他們驚人的結(jié)果發(fā)表在了 2006 年的《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

受潛在量子規(guī)律的吸引,，流體動(dòng)力學(xué)家約翰·布什（John Bush）的團(tuán)隊(duì)在麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）繼續(xù)探尋原因,。同樣進(jìn)行著彈跳油滴的雙縫實(shí)驗(yàn)的，還有丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）的托馬斯·玻爾和安諾斯·安諾生（Anders Andersen）,，以及內(nèi)布拉斯加大學(xué)（University of Nebraska）的量子物理學(xué)家赫爾曼·貝特蘭（Herman Batelaan）團(tuán)隊(duì)。在完善了實(shí)驗(yàn)裝置,、排除了氣流的影響,，讓油滴隨導(dǎo)航波通過雙縫后，三個(gè)團(tuán)隊(duì)都沒有觀察到庫(kù)代他們所說的干涉條紋,。油滴幾乎是直線穿過了雙縫,，沒有條紋出現(xiàn)。布什關(guān)于雙縫實(shí)驗(yàn)的精確結(jié)果已于今年早些時(shí)候發(fā)表,。

庫(kù)代和福特團(tuán)隊(duì)之前的錯(cuò)誤最終被歸因于噪音,、方法有誤和統(tǒng)計(jì)不充分。

安諾斯·安諾生,，丹麥技術(shù)大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)家,。圖片來源：Quanta Magazine

將德布羅意理論完全推翻？

“雙縫實(shí)驗(yàn)令我有點(diǎn)失望,，” 巴斯大學(xué)（University of Bath）數(shù)學(xué)科學(xué)系主任米保羅·米萊夫斯基（Paul Milewski）說,。但布什和米萊夫斯基認(rèn)為，如果油浴表面的振動(dòng)頻率等參數(shù)合適,，或許再加上必要的噪音,，還是有希望獲得導(dǎo)航波的干涉條紋的。

在報(bào)道丹麥團(tuán)隊(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文中,，托馬斯·玻爾提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),，似乎能完全推翻德布羅意的導(dǎo)航波理論。

他設(shè)想，在兩個(gè)狹縫中央加一個(gè)分隔板,，粒子在到達(dá)有狹縫前要先經(jīng)過分隔板的某一側(cè),。在標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)中，分隔板可以很長(zhǎng),，波函數(shù)會(huì)同時(shí)通過分割板的兩側(cè),，穿過兩條狹縫產(chǎn)生干涉，因此分隔板不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。但在德布羅意的設(shè)想和彈跳油滴的實(shí)驗(yàn)中,，粒子只能通過分隔板的一側(cè)，而與通過另一側(cè)的導(dǎo)航波失去聯(lián)系,，導(dǎo)航波一旦失去與粒子或油滴的聯(lián)系,，它的波陣面還沒到狹縫就會(huì)消失，干涉現(xiàn)象也就不會(huì)產(chǎn)生,。丹麥的研究者用計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了這一論點(diǎn),。

托馬斯·玻爾的思想實(shí)驗(yàn)。圖片來源：Quanta Magazine

布什卻表示：“我不喜歡什么‘思想’實(shí)驗(yàn),。彈跳油滴實(shí)驗(yàn)的妙處在于,，你能真實(shí)地做出來?！钡欠指舭逅枷雽?shí)驗(yàn)以極簡(jiǎn)單的方式突出了德布羅意理論的本質(zhì)問題：在由粒子和導(dǎo)航波的定域相互作用驅(qū)動(dòng)的量子現(xiàn)實(shí)中,，雙縫干涉等非定域量子現(xiàn)象失去了必要的對(duì)稱性。（編者注：在物理學(xué)中,，定域性原理認(rèn)為一個(gè)特定物體只能被它周圍的力量影響,；非定域性有時(shí)也稱為不確定性，在量子力學(xué)中,，在其定義范圍內(nèi)某個(gè)物理量不能確定更小確定范圍的性質(zhì),，稱為量子非定域性。）

托馬斯·玻爾說：“要想獲得真正的量子力學(xué)結(jié)果,，粒子可能路徑的平衡是十分重要的,，”但由于導(dǎo)航波 “一邊攜帶有粒子而一邊沒有，兩邊不可能平衡,，這打破了量子力學(xué)中非常重要的對(duì)稱性,。”

理論二選一只是喜好問題？

20世紀(jì)70年代以來的糾纏光子實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)證明：量子力學(xué)必須是非定域的,。類似德布羅意理論這種涉及粒子與其導(dǎo)航波定域相互作用的理論,，很難解釋非定域糾纏現(xiàn)象。