小小油滴竟隱藏著如此大學問,。

2005年,，一位在流體物理學家伊夫斯·庫代（Yves Couder）巴黎實驗室工作的學生偶然發(fā)現(xiàn),，當小油滴落在振動的油浴表面時，它會反彈起來,。而且,，當油滴反彈時,，它會開始在液體表面上下跳動,。拿庫代的話說，這些油滴是在“自己的波浪上沖浪”——在反彈時激起波浪,，然后借助波浪傾斜的波形獲得推力,，四處游走。

看著這些“沖浪”的水滴,，庫代意識到,，這不正是法國物理學家路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）構想出的量子世界嗎？一個早已提出,、但基本已被遺忘的構想,。

“導航波”理論

一個世紀以前，德布羅意拒絕放棄對“現(xiàn)實”的經(jīng)典理解,，盡管首次粒子實驗向大多數(shù)物理學家揭示,，在量子尺度上，現(xiàn)實并不是看上去的那個樣子,。當時,，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）提出了量子力學的標準“哥本哈根解釋”，該解釋打破傳統(tǒng),，宣稱在量子尺度上,，任何事物在被觀測之前都不是“真實的”,。

一些板上釘釘?shù)默F(xiàn)實，比如粒子的位置,，在被觀測前僅僅存在于概率當中,，由一個展開的概率波定義，一旦我們對粒子進行了觀測,，那個概率波就會神秘地坍縮成一個點,，粒子會飛躍到此處，我們便看到了一個確定的現(xiàn)實,。上世紀20年代,，玻爾說服大多數(shù)同時代人接受了概率宇宙的奇異性、自然固有的模糊性以及萬事萬物令人費解的波粒二象性,。

但有些物理學家并不認同這種觀點,，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和德布羅意就在其列。愛因斯坦認為上帝不“擲骰子”,；德布羅意則堅稱,，量子尺度上的所有事物都是完全正常且真實存在的。他構想了一種量子理論,，把光,、電子和其他一切事物的波動性和粒子性都視為清晰明確的現(xiàn)象。他的“導航波”理論認為,，粒子是具體實在的,，始終擁有確定的位置，而且它們的運動是由真實存在的導航波引導,，就像庫代實驗中波浪推動著不斷彈跳的油滴游走一樣,。

然而，德布羅意無法確定導航波的物理性質(zhì),，而且他也難于將自己的描述擴展到一個粒子以上,。在著名的1927年索爾維會議上，一群杰出的科學家聚在一起,，討論量子力學的意義,，而玻爾更為激進的觀點獲得了大家的認可。

證偽

78年過后,，當巴黎實驗室里的油滴開始彈跳時,，德布羅意用以描述量子世界的導航波理論已幾乎被人遺忘。突然之間,，庫代及其同事?lián)碛辛艘粋€“模擬系統(tǒng)”,，得以對德布羅意的構想進行實驗性地探索,。

他們清楚地看到油滴表現(xiàn)出令人驚奇的量子式行為，比如,，這些油滴只會穿過繞著油浴中心的特定“量子化”軌道,，有時則會在軌道之間隨機跳躍，就像原子中的電子一樣,。麻省理工學院和其他地方的實驗室很快也進行了彈跳油滴實驗,，一些人聲稱，他們看到了油滴隧穿障礙物的現(xiàn)象,，而且,，油滴還表現(xiàn)出了此前被認為只屬于量子世界的其他行為。在沒有任何神秘事件發(fā)生的情況下就再現(xiàn)了量子現(xiàn)象,，彈跳油滴實驗不禁讓一些物理學家重燃起德布羅意的舊夢,，即把量子尺度的現(xiàn)實描述為由導航波和粒子組成，而非概率波和難解之謎,。

然而,，自2015年以來一系列有關彈跳油滴的研究成果粉碎了這一美夢。

這些研究表明,，庫代2006年完成的最令人震驚的類量子現(xiàn)象演示出了錯,。流體動力學家保羅·米萊夫斯基（Paul Milewski）表示，“正是這個實驗讓我迷上了這個問題,?！痹趯@個所謂的“雙縫實驗”進行重復驗證時，研究人員得到的結果與庫代的初始結果是矛盾的,，而且他們還表明,，雙縫實驗恰好能夠證偽彈跳油滴模擬系統(tǒng)和德布羅意的導航波量子力學理論。

丹麥技術大學流體物理學家托馬斯·玻爾，身后的照片是他的祖父,、量子力學先驅(qū)尼爾斯·玻爾,。

令人想不到的是，徹底推翻德布羅意理論的不是別人,，正是尼爾斯·玻爾的孫子,、流體物理學家托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）。

托馬斯是丹麥技術大學的教授,，他小時候就喜歡思考祖父提出的謎題,。七年前，托馬斯聽說了庫代的彈跳油滴實驗,，立刻產(chǎn)生了興趣,?！拔艺娴南肟纯磿粫幸环N確定的量子力學?！彼谡劦阶约簽楹紊孀氵@一領域時說,。考慮到他的家族歷史,，托馬斯補充道,，“或許我還感覺自己肩負著一些責任，我覺得自己真的應該去研究一下它是不是真的,?！?/p>

雙縫實驗

物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）說，雙縫實驗“不可能,、絕不可能以任何經(jīng)典方式解釋”,，他說，雙縫實驗“蘊含著量子力學的核心,。其實,，它蘊含了量子力學的唯一奧秘?！?/p>

量子力學的雙縫實驗是什么？中國科技大學教授陸朝陽曾經(jīng)在一場造就演講中做過生動的解釋,。點擊上方圖片觀看完整演講,。

闡釋雙縫實驗時，哥本哈根學派會援引量子的不確定性原理,。他們辯稱,，一顆粒子的軌跡無法確知，因此,，它僅通過波函數(shù)的概率來詮釋,。粒子先是像波一樣，同時穿過兩個縫隙,，并在屏障另一邊發(fā)生干涉,，繼而，由于傳感器的存在,，代表粒子可能落點的波函數(shù)就出現(xiàn)了“坍縮”,。也就是說，傳感器從眾多可能性中,，選出了單一的“現(xiàn)實”,。其中涉及很多問題,，既有科學的，也有哲學的,；面對問題，尼爾斯·玻爾喜歡提出更多的問題作為回應,。

對德布羅意而言，要解釋雙縫實驗,，不一定要用到抽象而神秘的波函數(shù)坍縮,。他設想了一種實在的粒子，凌駕于一種實在的導航波之上,。雖然導航波會同時穿過雙縫,，但粒子就像一根浮木,，從其中一條縫隙穿出,。到了另一邊，導航波相長干涉的地方，就是粒子出現(xiàn)的地方,，而導航波相消干涉的地方，就是粒子不會出現(xiàn)的地方,。德布羅意始終沒有推導出動力學方程,，來描述波-粒-雙縫之間錯綜復雜的相互作用。

“挺令人失望的”

但庫代和協(xié)作者伊曼紐爾·弗爾特（Emmanuel Fort）立刻著手使用彈跳的油滴開展了一項雙縫試驗,，并在2006年的《物理評論快報》中報告了震驚世人的結果,。

庫代與弗爾特觀測了75個彈跳的油滴，讓它們通過雙縫屏障,，并記錄下了相應的軌跡,。庫代和弗爾特認為，在油滴的最后落點中,，他們探測到了大致的條紋——一種類似干涉的紋理,；而這似乎只可能來自導航波,。雙縫干涉,，這種被認為“不可能以任何經(jīng)典方式解釋”的現(xiàn)象，就當著大家的面發(fā)生了,，毫無神秘性可言,。

考慮到這對量子力學的潛在影響，流體動力學家約翰·布希（John Bush）在麻省理工學院設立了彈跳油滴實驗室,，并引領他人進入了這一領域,。2011年，托馬斯·玻爾聽庫代談論了他的結果,，后又圍繞這些實驗,，與布希進行了長時間的探討。他與同事,、實驗物理學家安德爾斯·安德森（Anders Andersen）組隊,，對油滴展開深入研究?！拔覀儗﹄p縫實驗著了迷,。”安德森說,。

丹麥技術大學流體動力學家安德爾斯·安德森。他牽頭的一項實驗證明,，導航波導引下的彈跳油滴不會產(chǎn)生雙縫干涉,。

玻爾和安德森的丹麥團隊、布希的麻省理工學院團隊,，以及量子物理學家赫爾曼·貝特蘭（Herman Batelaan）在內(nèi)布拉斯加大學的團隊,，三個團隊各自行動,，試圖復制彈跳油滴的雙縫實驗。他們完善了實驗設置,，去除了所有的氣流,，并讓油滴乘著導航波,，向雙縫進發(fā),，但沒有一支團隊看到類似干涉的紋理,。油滴幾乎直線穿過雙縫,，并未產(chǎn)生條紋。庫代和弗爾特的謬誤被歸咎于噪音,、方法缺陷,，以及數(shù)據(jù)不充分。

“于我而言,，雙縫實驗挺讓人失望的,?！爆F(xiàn)任巴斯大學數(shù)學系主任的米萊夫斯基說,。

今年早些時候，布希發(fā)表了詳細的雙縫研究結果,，未找到任何干涉跡象,，但他依然認為,，要是能找到適當?shù)膮?shù)組合，導航波仍有可能生成干涉條紋,。這或許是要調(diào)整油浴的振動頻率,，或是增加必不可少的噪音。米萊夫斯基也有同樣的期望,。不過,，丹麥團隊在論文中除了闡明他們未發(fā)現(xiàn)雙縫干涉結果,，還提出了一項思想實驗,。而這項思想實驗,，似乎徹底擊垮了德布羅意的導航波設想。

在這個思想實驗版雙縫實驗中,，粒子在抵達雙縫屏障之前,，先要經(jīng)過一堵隔墻。粒子必須從墻的其中一邊經(jīng)過,。在標準量子力學中,，這堵墻再長，都不會有任何影響,，因為,，代表粒子可能路徑的波函數(shù)會同時經(jīng)過墻的兩邊，同時穿過雙縫,，并發(fā)生干涉,。但在德布羅意的設想中，以及在彈跳油滴實驗中,，粒子作為驅(qū)使這一切的力量,，只能從墻的一邊經(jīng)過,，與墻另一邊的導航波失去聯(lián)系。失去了粒子或油滴的維系,，波前沒來得及抵達狹縫,，就已經(jīng)渙散了，因此,，也不會有干涉條紋,。丹麥團隊還通過計算機模擬，驗證了這一觀點,。

托馬斯·玻爾修改了著名的雙縫實驗,，粒子在抵達雙縫屏障之前,，先要經(jīng)過一堵隔墻，粒子必須從墻的其中一邊經(jīng)過,。按照量子力學的預測,，對于最后的雙縫干涉條紋，這堵墻不會產(chǎn)生影響,。然而,，按照導航波理論，這堵墻會阻止干涉的發(fā)生,。

至于為什么繼續(xù)研究彈跳油滴,，布希是這樣解釋的：“我一直都不看好思想實驗。油滴實驗的好處就在于,，這個實驗是可以操作的,。”然而,，加了隔墻的思想實驗用簡單明了的形式,，凸顯出德布羅意概念的內(nèi)在問題。若“量子現(xiàn)實”源于粒子與導航波的局域互動,，那么,，量子的對稱性就蕩然無存，雙縫干涉等非定域量子現(xiàn)象也就無從談起,。我們得有一個空靈的,、非定域的波函數(shù)，能在任何墻的任意一邊無障礙傳播,?！耙@得真正的量子力學結果，粒子的路徑可能是帶有平權（democratic）屬性的,，這一點十分重要,?！蓖旭R斯·玻爾說。但依照導航波設想,，“在這些實驗中,，導航波的一邊載有粒子，另一邊不載粒子,，你永遠也得不到你想要的結果,。你打破了量子力學中極為重要的對稱性?！?/p>

科學家的個人偏好問題,？

專家們指出，德布羅意的理論,，其最簡單的版本必然是錯的,。在描述由相應導航波引導的粒子時，德布羅意沒有解釋多個相互作用的粒子如何“糾纏”,，也沒有用一個簡單的,、聯(lián)合的、非定域的波函數(shù)來加以定義（由于存在這種函數(shù)關系,，粒子之間即便遠隔數(shù)光年,，它們的屬性仍然相關）。

20世紀70年代以來,，人們對糾纏光子的實驗證明,，量子力學肯定是非定域的。如果從一個粒子增加到兩個粒子,，把非定域糾纏納入考慮,，那么粒子及其導航波之間的定域性相互作用理論就會變得更加古怪，德布羅意的理論就是如此,。

直到1987年去世前，德布羅意一直對有關非定域性和糾纏的觀點心存懷疑,。他始終認為,，真正的導航波會以某種方式，導致必然的遠距離聯(lián)系,。這個怪異的觀點可能會頑固地存留至今,，也得到了某些彈跳油滴實驗者的擁護，但就單粒子而言,，導航波連雙縫干涉都無法形成,，因此這一觀點像一個被仔細審查的波函數(shù)一樣,，轟然坍塌了。

早些時候,，德布羅意確實針對自己的理論提出過一個折中版本,，物理學家戴維·玻姆（David Bohm）在1952年再次加以詮釋，現(xiàn)在稱為玻姆力學或者德布羅意-玻姆理論,。該理論認為,，有一個貫穿空間的抽象波函數(shù)（和哥本哈根解釋中的波函數(shù)一樣顯得高深莫測），空間中存在真實的粒子,。20世紀70年代的證據(jù)顯示,，德布羅意-玻姆理論和標準量子力學作出了完全相同的預測。

然而,，考慮到經(jīng)典現(xiàn)實的一個元素（有形粒子）,，新的問題出現(xiàn)了。比如,，在空間中無處不在的數(shù)學波函數(shù)是如何在某些地方跟實體粒子產(chǎn)生聯(lián)系的？為什么會這樣,？“從那個角度來看,，量子力學仍然顯得十分奇怪?！蓖旭R斯·玻爾說,。大多數(shù)物理學家持相同看法，但這其實只是個人偏好問題,，因為實驗性預測是相同的,。

尼爾斯·玻爾斷定，如果從量子層面看,，大自然將顯得奇怪至極,。

托馬斯·玻爾認為，祖父之所以這么想,，是因為他最重要的物理學研究：他在1913年對氫原子電子能級的計算,。玻爾發(fā)現(xiàn)，電子在軌道之間躍遷時,，會釋放量子化的光包,，沒有哪種力學理論能合理地解釋這一現(xiàn)象。他無法把電子的能級與電子的旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)系起來,。就連因果關系都說不通,，因為在躍遷之前，電子似乎就知道它們將落在哪里,，從而發(fā)出能量合適的光子,?！八苍S比大多數(shù)人更明白，整件事有多么奇怪,?！蓖旭R斯·玻爾說，“只不過,，他思想上有準備,，他知道自然有可能就是這么奇怪，相比之下,，大多數(shù)人并沒有做好準備,。”

過去幾年,，托馬斯常常在想,，祖父會如何看待彈跳油滴實驗?！拔矣X得他會非常感興趣,。”他笑著說道,，“他可能會比我更快地厘清自己的想法,。他會認為這十分巧妙，因為你可以生成這樣一個系統(tǒng),，它和德布羅意所說的東西竟然如此接近,。”

翻譯 ：雁行 何無魚 于波

審校：Lily