一個新的量子柴郡貓思想實驗打破常規

物理學家似乎對貓著迷。電動力學之父詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 研究了墜落的貓科動物s，以研究它們在墜落時如何轉動。許多物理老師都曾使用貓的毛皮和硬橡膠棒來解釋摩擦電現象。埃爾溫·薛定諤用一個關於一隻既非死也非活的貓的思想實驗，生動地說明了量子物理學的奇異之處。

因此，物理學家再次求助於貓科動物來命名在 2013 年發表在《新物理學雜誌》上的一篇論文中新發現的量子現象，這似乎並不令人驚訝。他們的三句話研究摘要寫道：“在本文中，我們提出了一個量子柴郡貓。在一個預選和後選的實驗中，我們發現貓在一個地方，而它的笑容在另一個地方。貓是一個光子，而笑容是它的圓偏振。”

新發現的現象是某些粒子特徵採取與粒子不同的路徑——很像路易斯·卡羅爾（數學家查爾斯·路特維奇·道奇森的筆名）在 1865 年出版的《愛麗絲夢遊仙境》中柴郡貓的笑容。迄今為止，幾項實驗已經證明了這種奇特的量子效應。但這個想法也引起了極大的懷疑。批評者不太關心理論計算或實驗嚴謹性，而更關心對證據的解釋。“對我來說，談論無實體的傳輸似乎有點大膽，”日本廣島大學的物理學家霍爾格·霍夫曼說。“相反，我們應該修正我們對粒子的看法。”

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最近，由查普曼大學的亞基爾·阿哈羅諾夫領導的研究人員將辯論提升到了一個新的水平。阿哈羅諾夫是第一篇提出量子柴郡效應的論文的合著者。現在，在預印本伺服器 arXiv.org 上，他和他的同事們釋出了一項理論工作的描述，他們認為這項工作證明了量子特性可以完全在沒有任何粒子的情況下移動——就像一個無實體的笑容在世界各地飛舞並影響著周圍環境——其方式繞過了過去提出的關鍵問題。

沒有貓的笑容

幾年前，當阿哈羅諾夫和他的同事們思考量子力學最基本的原理之一時，他們首次遇到了他們的量子柴郡貓：沒有任何東西可以被明確預測。與經典物理學不同，相同的量子力學實驗在完全相同的條件下可能具有不同的結果。因此，不可能預測單個實驗的確切結果——只能預測其具有一定機率的結果。“沒有人理解量子力學。它太違反直覺了。我們知道它的定律，但我們總是感到驚訝，”英國布里斯托爾大學的物理學家桑杜·波佩斯庫說，他與阿哈羅諾夫合作撰寫了 2013 年的論文和新的預印本。

但阿哈羅諾夫對這種不確定性並不滿意。因此，自 20 世紀 80 年代以來，他一直在探索在量子力學的基於機率的性質下研究基本過程的方法。現年 92 歲的阿哈羅諾夫採用了一種方法，該方法涉及密集地重複實驗，對結果進行分組，然後檢查實驗前後發生的事情，並將這些事件相互關聯。“要做到這一點，你必須理解量子力學中的時間流逝，”波佩斯庫解釋說。“我們開發了一種全新的方法來組合來自實驗前後測量的資訊。”

研究人員透過這種方法偶然發現了一些令人驚訝的事情——包括他們的理論柴郡貓。他們的想法乍聽起來很簡單：將粒子傳送到一個稱為干涉儀的光學工具中，該工具使每個粒子透過兩條路徑之一移動，最終在末端再次合併。阿哈羅諾夫和他的同事們推測，如果巧妙地進行設定和測量，就可以表明粒子在干涉儀中行進的路徑與其偏振路徑不同。換句話說，他們聲稱粒子的特性可以在一條路徑上測量到，即使粒子本身採取了另一條路徑——就好像笑容和貓已經分離了一樣。

受這一理論的啟發，維也納科技大學當時的托比亞斯·登克邁爾領導的一個團隊在 2014 年發表的一項研究中用中子進行了實驗。該團隊表明，干涉儀內部的中性粒子遵循的路徑與其自旋路徑不同，自旋是粒子的一種量子力學特性，類似於角動量：登克邁爾和他的同事們確實找到了柴郡貓理論的證據。兩年後，由波特蘭大學的馬克西米利安·施洛紹爾領導的研究人員成功地用光子進行了相同的實驗。科學家們看到了證據，表明光粒子在干涉儀中採取的路徑與其偏振路徑不同。

弱測量和幻覺

但並非所有人都信服。“這種分離根本沒有意義。粒子的位置本身就是粒子的一個屬性，”霍夫曼說。“更準確地說，應該談論位置和偏振之間不尋常的相關性。”去年 11 月，霍夫曼和他的同事們基於廣為人知的量子力學效應提出了另一種解釋。

在對柴郡貓結果的另一種解釋中，巴西米納斯吉拉斯聯邦大學的巴勃羅·薩爾達尼亞和他的同事們認為，這些發現可以用波粒二象性來解釋。“如果你採取不同的觀點，就不會有悖論，”薩爾達尼亞說，“但所有結果都可以用傳統的量子力學解釋為簡單的干涉效應。”

爭議的焦點很大程度上在於在這些實驗中檢測粒子特性和位置的方式。擾動粒子可能會改變其量子力學特性。因此，光子或中子不能使用普通探測器在干涉儀內部記錄。相反，科學家們必須求助於阿哈羅諾夫在 1988 年開發的弱測量原理。弱測量使得可以非常輕微地掃描粒子，而不會破壞其量子態。然而，這是有代價的：弱測量結果非常不準確。（因此，這些實驗必須重複多次，以彌補每個單獨的測量高度不確定的事實。）

在量子柴郡貓實驗中，沿著干涉儀中的一條路徑進行弱測量，然後路徑合併，並用普通探測器測量射出的粒子。沿著干涉儀的一條路徑，可以進行粒子位置的弱測量，而沿著另一條路徑，可以進行粒子自旋的弱測量。使用探測器，物理學家可以更明確地表徵透過干涉儀的粒子，並有可能重建粒子旅程中發生的事情。例如，只有某些粒子會出現在某些探測器中，這有助於物理學家拼湊出他們的中子或光子先前採取的路徑。根據阿哈羅諾夫、波佩斯庫及其同事的說法，柴郡貓實驗最終揭示，粒子的位置可以在一條路徑上得到證實，即使其偏振或自旋在另一條路徑上被測量到。

薩爾達尼亞和他的合著者斷言，鑑於他們目前的測量，不可能對過去的量子系統提出主張。換句話說，最終探測器中測量的光子和中子無法告訴我們太多關於它們之前軌跡的資訊。相反，透過干涉儀路徑的粒子的波函式可能會重疊，這將使得不可能追蹤粒子採取了哪條路徑。“最終，悖論行為與波粒二象性有關，”薩爾達尼亞說。但他斷言，在報告量子柴郡貓證據的論文中，這些發現“以一種複雜的方式處理，掩蓋了這種更簡單的解釋。”

與此同時，霍夫曼強調，如果您以不同的方式測量系統，結果會有所不同。這種現象在量子物理學中是眾所周知的：例如，如果您先測量粒子的速度，然後再測量其位置，則結果可能與您先測量同一粒子的位置然後再測量其速度的結果不同。因此，他和他的同事們認為，阿哈羅諾夫及其團隊的結論本身是正確的——粒子沿著一條路徑移動，而偏振沿著另一條路徑移動——但這種不同的路徑並非同時適用。

正如霍夫曼的合著者，同樣在廣島大學的喬恩特·漢斯告訴《新科學家》，“它看起來好像[粒子和偏振]是分離的，僅僅是因為您在一個地方測量其中一個屬性，而在另一個地方測量另一個屬性，但這並不意味著這些屬性在一個地方和另一個地方，這意味著實際的測量本身正在以一種方式影響它，使其看起來好像在一個地方和另一個地方。”

捕捉柴郡貓的新方法？

但波佩斯庫說，這些批評“沒有抓住重點”。他同意薩爾達尼亞和霍夫曼各自團隊提出的工作和推理是正確的——但補充說，測試任何解釋的最佳方法是從每個解釋中生成可測試的預測。“據我所知，沒有直接的方法可以根據它們做出預測，”波佩斯庫在談到這些替代解釋時說。“他們有點以一種非常老式的方式看待事物：存在矛盾，所以你就停止做數學。”

在他們最近的預印本論文中，阿哈羅諾夫和波佩斯庫，連同布里斯托爾大學的物理學家丹尼爾·柯林斯，現在描述了粒子的自旋如何在完全獨立於粒子本身的情況下移動——無需採用弱測量。在他們的新實驗裝置中，粒子位於一個細長的兩部分圓柱體的左半部分，該圓柱體在外邊緣處密封。由於中間有一個高反射壁，粒子隧穿到圓柱體右側的機率極小。在他們的論文中，研究人員提供了一個證明，即使粒子在幾乎所有情況下都留在左側區域，仍然有可能在右側外壁測量到粒子自旋的轉移。“這太神奇了，不是嗎？”柯林斯說。“你認為粒子有自旋，自旋應該與粒子保持在一起。但是自旋穿過了盒子，而粒子卻沒有。”

這種方法將解決迄今為止提出的幾個關鍵問題。物理學家不需要弱測量。他們也不需要對實驗結果進行分組以得出時間結論。（話雖如此，考慮到牆壁本身的角動量由於海森堡不確定性原理而無法明確確定，對結果進行分組仍然可以改善測量結果。）但是在這種情況下，唯一涉及的物理原理是守恆定律，例如能量守恆或動量和角動量守恆。波佩斯庫和柯林斯解釋說，他們希望其他團隊能夠實施該實驗以在實驗室中觀察這些效應。

這項新工作引起了霍夫曼的興趣。“這種情況令人興奮，因為偏振和粒子運動之間的相互作用產生了特別強的量子效應，這顯然與粒子圖景相矛盾，”他說。

但他仍然不認為這是無實體（無粒子）自旋轉移的證據。“對我來說，這首先意味著，假設存在與測量無關的現實是錯誤的，”霍夫曼說。相反，量子力學允許粒子的駐留擴充套件到圓柱體的右側區域，即使在邏輯上看來，左側區域的駐留是令人信服的。“我認為阿哈羅諾夫、柯林斯和波佩斯庫非常清楚牆壁前面的空間並非真正是空的，”他補充道。

與此同時，薩爾達尼亞仍然認為研究人員將可以用傳統的量子干涉效應解釋的事情複雜化了。在討論粒子進入實驗裝置右側的機率非常低時，他解釋說，“當我們提到波時，我們必須小心‘機率極小’。”粒子的波函式也可能擴充套件到裝置的右側，從而影響牆壁的角動量。“在沒有如此戲劇性的結論的情況下，也可以做出相同的預測，”他說。

為了回應這些批評，波佩斯庫說，“這當然是另一種思考方式。問題是這種解釋是否有用。”無論對事件的哪種解釋是正確的，量子柴郡貓都可能實現新的技術應用。例如，它可以用於在不移動物理粒子（無論是物質粒子還是光粒子）的情況下傳輸資訊或能量。

然而，對於波佩斯庫來說，物理學的基本問題起著更重要的作用。“這一切都始於我們思考時間如何在量子力學中傳播，”他說。“突然，我們能夠發現一些關於守恆定律的基本的東西。”

本文最初發表在《光譜》雜誌上，並經許可轉載。