三个表明量子物理学是真实的实验

Chad Orzel

我写关于物理、科学、学术界和流行文化方面的。由福布斯撰稿人表达的是他们自己的。

我是联盟学院物理系和天文学的副教授，我为非科学家写关于科学的书籍。我有威廉姆斯学院物理学学士学位和学院公园马里兰大学(在比尔菲利普的美国国家标准和技术实验室研究激光冷却，比尔菲利普共享1997年诺贝尔物理学奖)化学物理博士学位。我是耶鲁大学的博士后，自2001年以来一直在联盟学院。我的书怎样教你的狗物理和怎样教你的狗相对论通过假想与我的德国牧羊犬的谈话解释现代物理学，我最近的书，惊呼: 发现你的内在科学家(Basic, 2014)，解释了我们如何在日常生活中使用科学的过程。我和我的妻子凯特·涅普维生活在纽约的尼斯卡玉纳，我们有两个孩子，艾美是尼斯卡玉纳的女王。

这位作者是福布斯的撰稿人。表达的意见是作家的那些。

几周前，我列出了每个人都应该知道的关于量子物理学的六项本质的原则。虽然这些项中的一些相当的怪异，特别的是波-粒二象性和非局域性项。这导致自然的到这个问题"这样古怪的理论怎么可以是真的?"

尽管关于在物理学中工作的漂亮事之一是它是可争论的在人类历史上最经实验了的理论。有美丽、清楚的证明所有量子物理学的奇怪的属性的实验------但仍有一些关于怎样最佳来解释什么是"真实"的量子基础团体中的争论继续要导致这个结果的，但实验证据是绝对明确和无争议的。

以下是很多、很多清楚的表明量子物理学是真实的证据的实验中的三个，甚至这个预言看起来真的奇怪的。

单分子干涉

量子物理学最早和最奇怪的预言的一个想法是波粒二象性，在宇宙中的一切具有粒子和波的性质。爱因斯坦是第一个真正认真推动这个的，按照我们现在所称的光子解释光电效应; 罗伯特·密立根的爱因斯坦的理论的试验表明，它工作的非常优秀，并帮助爱因斯坦和密立根确保了诺贝尔奖。物质对象具有波动性的概念1923年来自露易斯·德布罗意，电子的波动性很快被戴维森-盖莫实验衍射电子脱离镍(一个快乐的事故) 和乔治·汤姆森的衍射电子脱离薄膜的实验所演示(有趣的事实: G.P.汤姆孙的父亲J.J.汤姆森因为证明电子是粒子获得诺贝尔奖，然后G.P.汤姆孙因为证明它是波共享了一个......)。

这些天来，物质的波的性质已被证明无数次，一般的通过证明物质波穿过两个或更多切割在一个屏障中的狭缝之间的干涉来演示的。在这个屏障的另一边，这个波干涉彼此产生明亮和黑暗的斑点模式。回到理查德·费曼名言所说的粒子的干涉捕获量子物理学的本质神秘的时代;当时，这大部分还是一个思想实验，但在这交织的五十年中，他讨论了的精确实验已经做了无数次，有无数的粒子。

我经常使用单电子的干涉实验，但我最喜欢的版本可能是来自维也纳的马尔克思·阿恩德（Markus Arndt）团队的，其中他们观看了实时的酞菁染料分子的干涉。你可以看以上的他们数据的视频，最本质的在这张静止的图像:

酞菁染料分子的干涉图象;每个点是一个由荧光检测的单分子，条纹图案是波行为的指示。图从 Arndt团队网站的修改过。

他们让一束酞菁染料分子通过纳米制造的衍射光栅，用荧光来检测击中在远侧玻璃板的单分子。图中的每个点代表一个单一的分子，它们的到达时间和地点基本上是随机的。所有检测的编辑，揭示了亮和暗条纹模式的干涉的结果。你甚至可以发现条纹的角的波长与动量之间的关系------朝着图的底部的间距越来越大，因为这些分子正在更慢移动并花更多时间来覆盖光栅和探测器之间的距离。更慢的速度意味着更低的动量，这意味着更长的波长，并因此条纹之间的间距更大。

(如果你想要更多的细节，回到2012年我做了一个这个实验的详细撰写。如果你想要所有详细的细节，这里是自然纳米技术杂志上的论文，免费版本在arxiv上。)

因此，真的，这一试验包含你需要结论性证明物质的波的性质是一个真实的现象的一切。

量子非局域性

来自量子物理学的哲学上最令人不安的想法之一是这个理论是非局域性的事实。那就是，在遥远的位置进行的测量的结果以如果这个测量是真正独立的和有关这个结果的信息只能比光的速度更慢通过从一个传到另一个是不可能的方式可以彼此相关起来。爱因斯坦对物理学的最后的真正伟大贡献是1935年与鲍里斯·玻多尔斯基和内森·罗森相对清楚的铺设出这样的"纠缠"的后果的论文。基本的想法被解释在以上的视频里。

几十年来这被认为是一个奇怪的哲学脚注------亚伯拉罕·帕易思 （Pais）的爱因斯坦的奇妙科学传记只给出它几个一次性的段落。1965年，虽然，爱尔兰物理学家约翰·贝尔指出这种被爱因斯坦、玻多尔斯基和内森·罗森感兴趣的隐式理论对各种你能指望的观察遥远的测量之间的相关放上了限制，并且这些限制都不同于你可能从一个纠缠的量子系统期望的。这个激发了大量的实验测试 (由柯罗瑟、霍恩、师莫尼（Shimony）和霍尔特扩展贝尔的工作到更实际的情况下)，所有的这一切都已经证实量子力学事实上违反被爱因斯坦和同伴青睐的一个"局部的隐藏变量"类型的理论的限制。

按照统计的不确定性，最近使用生成光子对的相关光子源和超高效率单光子探测器取得了最好的测试。这个实验使大多数物理学家相信这是一个真实的东西，值得作出重大努力，由阿兰·阿思派可特（Alain Aspect）及其同事在法国1980年代早期做了。他们用钙原子激发到了一个特定的高能状态，从这个高能状态原子通过发射两个光子(一个红色，一个蓝色) 衰变。当那些双光子相反方向发射时，它们的极化被纠缠在完全正确的测试贝尔定理的方式中。

第三个阿思派可特实验测试量子非局域性的示意图。来自源的纠缠的光子被发送到两个快速开关，那个开关引导它们到偏光探测器。开关非常迅速改变设置、在光子在飞行中时有效的改变实验的检测器设置。 (Figure by Chad Orzel)

阿思派可特的第一个实验用了一个单一的探测器，它前面的原子束的两边有一个偏振镜，测量了对偏振器设置的各种组合多久他们在这两个探测器检测到了光子。测得的结果发现了显然违反了贝尔/ CHSH局域隐藏的变量理论的限制的相关，但有一个由于探测器的有限效率的漏洞。探测器有时"错过"一个光子的事实意味着你能用一个刚刚发生了的特别运气(或运气不好，取决于哪种结果你更喜欢)的"错过"光子模式的局域理论解释它们的结果。因此，他们用四个探测器，每边两个重复了这个实验，只计算当他们在每边得到一个光子时的数据。再次，他们测量的相关性超过了经典的限制，一个在他们的统计不确定性测量中的荒谬的40 倍。

在这里还有一个漏洞，因为他们为他们的探测器设置偏振器的角度并把它们留在那里。这个打开一个漏洞的阴谋理论------一个信号会以光速通过探测器和源之间，告诉源检测器的设置是什么，在这个点上探测器可以选择发出模仿量子预测的偏振光子，但被一个局域的隐藏变量的理论定义了的。因此阿思派可特做了第三个实验，发表于1982年，添加一对光子在飞行时有效的改变偏振器设置的快速开关。再次，这个结果显然的违反局域的隐藏变量的理论的限制，以一种显示飞行中的极化必须是不确定的方式。

 (我在我其他的博客写过关于这些实验，如果你想要知道更多关于细节...)

这些阿思派可特的实验并不是以一种完全彻底满足铁杆哲学家的方式的------只是最近真正的"无漏洞"实验已经开始可进行的 (包括一些依赖于宇宙学来确保探测器的独立性)。然而，它们足以好的说服大多数物理学家相信非局域性是一种真实的现象，需要认真对待。这个引发了大量的实验和理论努力探索这是怎样工作、怎样用相对论调和纠缠的以及怎样利用的。这已导致创造蓬勃发展的量子信息科学的亚范畴，这个产生俏皮的如量子隐形传态的技巧和实用的如量子密码学的技术。

阿思派可特的实验 (相当的) 确凿的表明量子物理学是非局域的，宇宙是比它看上去很陌生的，或不是爱因斯坦会一直喜欢它是的。

精密测量

精细结构常数的高精密测量的比较，提供一种难以置信的量子电动力学的非常敏感的测试 (Figure by Chad Orzel)

我要提一下的最后的想法事实上是不包括在我最近的六项核心原则的列表中的，但是是所有的量子预测最怪异的之一。它来自费曼的量子电动力学公式，俗称" QED（量子电动力学）"，光和物质的奇怪的理论。

单电子与电磁场相互作用的运动看起来似乎应该是很简单的解释的东西，1930代的量子理论几乎得到正确的。不过，得到正确的答案需要粉饰一些在理论物理中每个人都知道的某些影响应该是真实的，其中直到第二次世界大战技术的新的实验使它们无法来忽视才工作的。1947年著名的住房岛会议把这些问题投入鲜明的救济，启动了一个来解决这些问题的很大努力。一年后，在波科诺会议上，居里安·施文格尔（Julian Schwinger）和理查德·费曼已经解决了这个问题并开发了量子电动力学的工作模型; 在大约同一时间日本的朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）有他自己的版本，弗里曼·戴森证明了所有三个版本在数学上是等价的。

费曼的版本的理论是最人性化的因此最著名的------大多数现代描述施文格尔的理论最终落回在费曼的谈论什么正在进行的语言中。它引入了从空的空间弹出进入存在的"虚粒子"与我们在很短的时间测量其属性的真实粒子相互作用然后再次消失的想法。这个提供了一个什么正在进行的方便的概念解释，并驯服叙事的能力来使得真的抽象数学可理解的。(也是开展我的写作生涯的傻博客贴的灵感...)

费曼的虚粒子方法的伟大的事情之一是它让这些虚粒子的影响随场景变得更加复杂变得更小清楚的。您添加的每个虚粒子减少(基于历史原因一个称为的"精细结构常数") 给可测量性质的贡献约一个137的因素。但如果这些粒子的影响如此小，我们怎么能知道这是真的呢?

这个答案是原子物理学家们现象上在测量微小位移的效果上是好的。现代精密光谱学实验可以测量一个电子和一个磁场之间的相互作用到14位小数。把这个与量子电动力学预测放在一起让你发现一个精细结构常数的值，并通过其它技术把它与最佳测量进行比较 (上面的图片中所示的，从我去年夏天谈话中给出的一张幻灯片; 论文在物理评论快报和arxiv上。当然还有这个的旧的博客)。要得到这个它们看似近乎完美的协议需要量子电动力学模型来包括涉及与虚粒子的八个相互作用方案，包括在上面图中的棒球形混乱。这些实验都是我们的量子电动力学有的最敏感的测试，并使量子电动力学成为可以说是科学史上最精确的测试了的理论。

因此，如同物质粒子简单的从空的空间出现的的想法听上去似乎很奇怪一样，这是解释我们的物理的最佳测量绝对必要的。虚粒子，如波动性和非局域性一样，是一个量子物理必不可少的一部分和绝对的被实验证实的。

Chad Orzel是物理学教授，科普和博客作家。他的新书是惊呼: 发现你的内在科学家(Eureka: Discovering Your Inner Scientist，Basic Books, 2014).

http://www.forbes.com/sites/chadorzel/2015/07/20/three-experiments-that-show-quantum-physics-is-real/