量子物理学家说客观现实可能毕竟不存在

Stav Dimitropoulos

Sat, July 9, 2022 at 9:51 PM

Photo credit: VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY - Getty Images

"Hearst Magazines and Yahoo may earn commission or revenue on some items through the links below."

·                                 量子力学中最大的秘密之一是是否物理现实独立于它的观察者存在。

·                                 来自巴西的新研究提供强有的可能是相互排斥但在量子领域中互补的物理现实证据。

·                                 未来对伟大量子辩论的研究可能赋予我们超颠覆的量子技术，并可能对世界上最大的秘密提供惊人的答案。

现实是否存在还是当一个观察者测量它时它取形呢？类似于是否一棵树如果它倒在森林里周围没有人听到它的古老的难题一样，上述问题仍然是量子力学领域最诱人的难题之一，量子力学是处理微观层面上亚原子粒子行为的科学分支。

在一个像“量子超位”一样有趣的、几乎神秘的现象盛行的领域------一种一个粒子能是同时处于两个甚至“所有”可能的地方的情况------一些专家说现实存在于你自己的晓知之外，你不能做任何事情来改变它。其他人坚持 “量子现实”可能是某种形式的你用你自己的行动形成不同形状的粘土。现在，来自巴西圣保罗大都市区ABC联邦大学（UFABC）的科学家正在对现实可能是“在观察者的眼中”的提议火上浇油。

在他们的四月份发表在《通信物理学》杂志上的新研究中，巴西的科学家试图验证丹麦著名物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）在1928年提出的“互补性原理”。它声明物体带有某些互补属性对，这些属性在同时观察或测量是不可能的，例如能量和持续时间或位置和动量。例如，无论你如何设置一个涉及一对电子的实验，没有你都同时研究两个量的位置的办法：测试将说明第一个电子的位置，但同时模糊第二个粒子（互补粒子）的位置。

“上帝不玩骰子”

为了理解这种互补性原则怎样相关到客观现实，我们需要潜回到大约一个世纪前的历史中。1927年，玻尔与德国出生的著名理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在第五届索尔维会议（物理和化学领域最重要的年度国际会议）期间在布鲁塞尔举行了一场传奇的辩论。

Photo credit: Science & Society Picture Library - Getty Images

在77位聚集在奥地利首都讨论量子理论新生领域的杰出科学家的眼前，爱因斯坦坚持认为量子态有它们自己的现实，独立于一个科学家如何对它们采取行动。与此同时，玻尔捍卫了量子系统只能在科学家已经建立实验设计之后它们自己的现实被定义这一想法。

爱因斯坦说，“上帝不玩骰子”。

玻尔争辩指出波粒二象性的概念，“一个系统作为一个波还是一个粒子行为取决于上下文，但你不能预测它将做那个”，该概念说物质可能在一个时刻作为一个波出现，而在另一个时刻作为一个粒子，这是法国物理学家路易斯·德布罗意在1924年首次提出的一个想法。

 “互补性原则”

在1927年索尔维会议结束后不久，玻尔就公开阐明他的互补性原则。在接下来的几十年里，有争议的玻尔概念将受到考验并被重新测试到骨头。其中一位实验互补原理的人是美国理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒。

惠勒在1978年试图重新想象托马斯·杨（Thomas Young）1801年的双缝实验成光的属性。双缝实验涉及在有两个平行狭缝的墙壁上照射一个光线。随光线穿过每个狭缝，在背面的分隔器衍射并与来自另一个狭缝的光线重叠，彼此干扰。这意味着不再直线：在实验结束时出现的图形图案是一个干涉图案，这意味着光正在波中移动。从本质上讲，光既有一个粒子性质又有一个波性质，这两个性质是不可分割的。

惠勒在光已经穿过了机器的大部分后让他的装置在“测量波的器具”和一个“测量粒子的器具”之间切换。换句话说，他在光是否已经作为一个波还是一个粒子传播之间做出了一个延迟选择，并发现了即使在延迟选择之后，互补性原则没有被违反。

然而，更最近的试图将量子超位原理应用于延迟选择实验的调查看到了这两种可能性共存（就像湖面上的两个波能重叠一样）。这表明了在同一器具内一个混合的波状和粒子状行为，与互补性原理相矛盾。

量子控制的现实

巴西科学家决定也设计一个量子控制的现实实验。

领导实验的圣保罗大都市区ABC联邦大学的量子信息科学和技术研究员罗伯特塞拉告诉大众力学，“我们使用了类似于那些医学成像中使用的核磁共振技术”。像质子、中子和电子这样的粒子都有一个核自旋，这是一种类似于指南针中针的方向的磁属性。塞拉解释说，“我们在一个采用一种电磁辐射的分子中设法操纵了不同原子的这些核自旋。在这种设置中，我们为一个质子核自旋创造了一种新的干涉装置来调查它在量子领域中的波和粒子现实 “。

现在是波兰国际量子技术理论中心（ICTQT）的博士后研究员的佩德罗·鲁亚斯·迪格兹他告诉大众力学说，“这种新安排产生了与以前的量子延迟选择实验完全相同的观测统计数据”，他是这项研究的一部分，迪格兹继续说道“然而，在新的配置中，我们能够将实验结果与波和粒子的行为以一种验证玻尔的互补性原理方式联系起来”。

来自2022年4月研究的主要要点是，量子世界中的物理现实被相互排斥的然而确实不矛盾但彻底的彼此组成。

专家说，这是一个令人着迷的结果。福特汉姆大学物理学副教授斯蒂芬霍勒告诉大众力学，“巴西研究人员已经设计了一个数学框架和相应的实验配置，允许测试量子理论，特别是通过研究系统的物理现实主义理解互补性的本质”

霍勒说，这项一项突出美国标志性的量子物理学家和诺贝尔奖获得者理查德·费曼长期以来的格言的研究：“如果你认为你了解量子力学，你就不了解量子力学，关于这个理论还有很多东西需要学习，研究人员继续在理解甚至基本原理方面做出迈步，随我们进入量子设备和计算开始激增的时代这尤其重要”。

迪格斯欣喜若狂。他说，“根据上下文一个物质粒子可能像一个波和光像一个粒子的事实仍然是量子物理学中最有趣和最美丽的奥秘之一”。

矛盾的是，量子力学的这种固有的“诡异性”能证明是相当有用的：塞拉说，“我们越是解开量子力学，我们就越能提供超越它们的经典对手量子计算机、量子密码学、量子传感器和量子热器件的颠覆性量子技术”。

两位研究人员都同意，在观察者的眼中，这种现实可能是量子领域中物理现实的一个非常奇特的方面，而这个谜团本身并没有显示减弱的迹象。