2005年,一位在流体物理学家伊夫斯·库代(Yves Couder)巴黎实验室工作的学生偶然发现,当小油滴落在振动的油浴表面时,它会反弹起来。而且,当油滴反弹时,它会开始在液体表面上下跳动。拿库代的话说,这些油滴是在“自己的波浪上冲浪”——在反弹时激起波浪,然后借助波浪倾斜的波形获得推力,四处游走。

看着这些“冲浪”的水滴,库代意识到,这不正是法国物理学家路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)构想出的量子世界吗?一个早已提出、但基本已被遗忘的构想。

“导航波”理论

一个世纪以前,德布罗意拒绝放弃对“现实”的经典理解,尽管首次粒子实验向大多数物理学家揭示,在量子尺度上,现实并不是看上去的那个样子。当时,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出了量子力学的标准“哥本哈根解释”,该解释打破传统,宣称在量子尺度上,任何事物在被观测之前都不是“真实的”。一些板上钉钉的现实,比如粒子的位置,在被观测前仅仅存在于概率当中,由一个展开的概率波定义,一旦我们对粒子进行了观测,那个概率波就会神秘地坍缩成一个点,粒子会飞跃到此处,我们便看到了一个确定的现实。上世纪20年代,玻尔说服大多数同时代人接受了概率宇宙的奇异性、自然固有的模糊性以及万事万物令人费解的波粒二象性。

但有些物理学家并不认同这种观点,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和德布罗意就在其列。爱因斯坦认为上帝不“掷骰子”;德布罗意则坚称,量子尺度上的所有事物都是完全正常且真实存在的。他构想了一种量子理论,把光、电子和其他一切事物的波动性和粒子性都视为清晰明确的现象。他的“导航波”理论认为,粒子是具体实在的,始终拥有确定的位置,而且它们的运动是由真实存在的导航波引导,就像库代实验中波浪推动着不断弹跳的油滴游走一样。

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法国物理学家路易斯·德布罗意,摄于1929年。

然而,德布罗意无法确定导航波的物理性质,而且他也难于将自己的描述扩展到一个粒子以上。在著名的1927年索尔维会议上,一群杰出的科学家聚在一起,讨论量子力学的意义,而玻尔更为激进的观点获得了大家的认可。

证伪

78年过后,当巴黎实验室里的油滴开始弹跳时,德布罗意用以描述量子世界的导航波理论已几乎被人遗忘。突然之间,库代及其同事拥有了一个“模拟系统”,得以对德布罗意的构想进行实验性地探索。

他们清楚地看到油滴表现出令人惊奇的量子式行为,比如,这些油滴只会穿过绕着油浴中心的特定“量子化”轨道,有时则会在轨道之间随机跳跃,就像原子中的电子一样。麻省理工学院和其他地方的实验室很快也进行了弹跳油滴实验,一些人声称,他们看到了油滴隧穿障碍物的现象,而且,油滴还表现出了此前被认为只属于量子世界的其他行为。在没有任何神秘事件发生的情况下就再现了量子现象,弹跳油滴实验不禁让一些物理学家重燃起德布罗意的旧梦,即把量子尺度的现实描述为由导航波和粒子组成,而非概率波和难解之谜。

然而,自2015年以来一系列有关弹跳油滴的研究成果粉碎了这一美梦。这些研究表明,库代2006年完成的最令人震惊的类量子现象演示出了错。流体动力学家保罗·米莱夫斯基(Paul Milewski)表示,“正是这个实验让我迷上了这个问题。”在对这个所谓的“双缝实验”进行重复验证时,研究人员得到的结果与库代的初始结果是矛盾的,而且他们还表明,双缝实验恰好能够证伪弹跳油滴模拟系统和德布罗意的导航波量子力学理论。

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丹麦技术大学流体物理学家托马斯·玻尔,身后的照片是他的祖父、量子力学先驱尼尔斯·玻尔。

令人想不到的是,彻底推翻德布罗意理论的不是别人,正是尼尔斯·玻尔的孙子、流体物理学家托马斯·玻尔(Tomas Bohr)。

托马斯是丹麦技术大学的教授,他小时候就喜欢思考祖父提出的谜题。七年前,托马斯听说了库代的弹跳油滴实验,立刻产生了兴趣。“我真的想看看会不会有一种确定的量子力学。”他在谈到自己为何涉足这一领域时说。考虑到他的家族历史,托马斯补充道,“或许我还感觉自己肩负着一些责任,我觉得自己真的应该去研究一下它是不是真的。”

双缝实验

物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)说,双缝实验“不可能、绝不可能以任何经典方式解释”,他说,双缝实验“蕴含着量子力学的核心。其实,它蕴含了量子力学的唯一奥秘。”

双缝实验涉及一道屏障,上有两道狭缝。若将一束光射向屏障,部分粒子将能穿过狭缝,击中一定距离外的传感器。虽然粒子的落点无法预测,但在所有粒子的落点中,一种条纹开始显现,代表了粒子可能和不可能出现的位置。这些条形纹路表明,粒子具有波动性。在通过屏障时,粒子同时经过两条狭缝,产生两个波前,它们汇聚、干涉,在某些地方相互加强,在有些地方相互抵消。在这种奇特的概率波交汇加强之处,粒子在传感器中得以显现。

更匪夷所思的是,若再加一个传感器,观测每颗粒子穿过了哪条缝隙,干涉条纹就消失了,仿佛概率波(即波函数)坍缩了一般。这种情况下,粒子直穿其中一条狭缝,落在远端传感器上的其中一点。

阐释双缝实验时,哥本哈根学派会援引量子的不确定性原理。他们辩称,一颗粒子的轨迹无法确知,因此,它仅通过波函数的概率来诠释。粒子先是像波一样,同时穿过两个缝隙,并在屏障另一边发生干涉,继而,由于传感器的存在,代表粒子可能落点的波函数就出现了“坍缩”。也就是说,传感器从众多可能性中,选出了单一的“现实”。其中涉及很多问题,既有科学的,也有哲学的;面对问题,尼尔斯·玻尔喜欢提出更多的问题作为回应。

对德布罗意而言,要解释双缝实验,不一定要用到抽象而神秘的波函数坍缩。他设想了一种实在的粒子,凌驾于一种实在的导航波之上。虽然导航波会同时穿过双缝,但粒子就像一根浮木,从其中一条缝隙穿出。到了另一边,导航波相长干涉的地方,就是粒子出现的地方,而导航波相消干涉的地方,就是粒子不会出现的地方。德布罗意始终没有推导出动力学方程,来描述波-粒-双缝之间错综复杂的相互作用。

“挺令人失望的”

但库代和协作者伊曼纽尔·弗尔特(Emmanuel Fort)立刻着手使用弹跳的油滴开展了一项双缝试验,并在2006年的《物理评论快报》中报告了震惊世人的结果。

库代与弗尔特观测了75个弹跳的油滴,让它们通过双缝屏障,并记录下了相应的轨迹。库代和弗尔特认为,在油滴的最后落点中,他们探测到了大致的条纹——一种类似干涉的纹理;而这似乎只可能来自导航波。双缝干涉,这种被认为“不可能以任何经典方式解释”的现象,就当着大家的面发生了,毫无神秘性可言。

考虑到这对量子力学的潜在影响,流体动力学家约翰·布希(John Bush)在麻省理工学院设立了弹跳油滴实验室,并引领他人进入了这一领域。2011年,托马斯·玻尔听库代谈论了他的结果,后又围绕这些实验,与布希进行了长时间的探讨。他与同事、实验物理学家安德尔斯·安德森(Anders Andersen)组队,对油滴展开深入研究。“我们对双缝实验着了迷。”安德森说。

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丹麦技术大学流体动力学家安德尔斯·安德森。他牵头的一项实验证明,导航波导引下的弹跳油滴不会产生双缝干涉。

玻尔和安德森的丹麦团队、布希的麻省理工学院团队,以及量子物理学家赫尔曼·贝特兰(Herman Batelaan)在内布拉斯加大学的团队,三个团队各自行动,试图复制弹跳油滴的双缝实验。他们完善了实验设置,去除了所有的气流,并让油滴乘着导航波,向双缝进发,但没有一支团队看到类似干涉的纹理。油滴几乎直线穿过双缝,并未产生条纹。库代和弗尔特的谬误被归咎于噪音、方法缺陷,以及数据不充分。

“于我而言,双缝实验挺让人失望的。”现任巴斯大学数学系主任的米莱夫斯基说。

今年早些时候,布希发表了详细的双缝研究结果,未找到任何干涉迹象,但他依然认为,要是能找到适当的参数组合,导航波仍有可能生成干涉条纹。这或许是要调整油浴的振动频率,或是增加必不可少的噪音。米莱夫斯基也有同样的期望。不过,丹麦团队在论文中除了阐明他们未发现双缝干涉结果,还提出了一项思想实验。而这项思想实验,似乎彻底击垮了德布罗意的导航波设想。

在这个思想实验版双缝实验中,粒子在抵达双缝屏障之前,先要经过一堵隔墙。粒子必须从墙的其中一边经过。在标准量子力学中,这堵墙再长,都不会有任何影响,因为,代表粒子可能路径的波函数会同时经过墙的两边,同时穿过双缝,并发生干涉。但在德布罗意的设想中,以及在弹跳油滴实验中,粒子作为驱使这一切的力量,只能从墙的一边经过,与墙另一边的导航波失去联系。失去了粒子或油滴的维系,波前没来得及抵达狭缝,就已经涣散了,因此,也不会有干涉条纹。丹麦团队还通过计算机模拟,验证了这一观点。

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托马斯·玻尔修改了著名的双缝实验,粒子在抵达双缝屏障之前,先要经过一堵隔墙,粒子必须从墙的其中一边经过。按照量子力学的预测,对于最后的双缝干涉条纹,这堵墙不会产生影响。然而,按照导航波理论,这堵墙会阻止干涉的发生。

至于为什么继续研究弹跳油滴,布希是这样解释的:“我一直都不看好思想实验。油滴实验的好处就在于,这个实验是可以操作的。”然而,加了隔墙的思想实验用简单明了的形式,凸显出德布罗意概念的内在问题。若“量子现实”源于粒子与导航波的局域互动,那么,量子的对称性就荡然无存,双缝干涉等非定域量子现象也就无从谈起。我们得有一个空灵的、非定域的波函数,能在任何墙的任意一边无障碍传播。“要获得真正的量子力学结果,粒子的可能路径就该是民主的,这一点十分重要。”托马斯·玻尔说。但依照导航波设想,“在这些实验中,导航波的一边载有粒子,另一边不载粒子,你永远也得不到你想要的结果。你打破了量子力学中极为重要的对称性。” 科学家的个人偏好问题?

专家们指出,德布罗意的理论,其最简单的版本必然是错的。在描述由相应导航波引导的粒子时,德布罗意没有解释多个相互作用的粒子如何“纠缠”,也没有用一个简单的、联合的、非定域的波函数来加以定义(由于存在这种函数关系,粒子之间即便远隔数光年,它们的属性仍然相关)。

20世纪70年代以来,人们对纠缠光子的实验证明,量子力学肯定是非定域的。如果从一个粒子增加到两个粒子,把非定域纠缠纳入考虑,那么粒子及其导航波之间的定域性相互作用理论就会变得更加古怪,德布罗意的理论就是如此。

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在家中的一块黑板前,尼尔斯·玻尔看着儿子奥格·玻尔运算公式,他的孙子托马斯·玻尔悄悄凑了过来。

直到1987年去世前,德布罗意一直对有关非定域性和纠缠的观点心存怀疑。他始终认为,真正的导航波会以某种方式,导致必然的远距离联系。这个怪异的观点可能会顽固地存留至今,也得到了某些弹跳油滴实验者的拥护,但就单粒子而言,导航波连双缝干涉都无法形成,因此这一观点像一个被仔细审查的波函数一样,轰然坍塌了。

早些时候,德布罗意确实针对自己的理论提出过一个折中版本,物理学家戴维·玻姆(David Bohm)在1952年再次加以诠释,现在称为玻姆力学或者德布罗意-玻姆理论。该理论认为,有一个贯穿空间的抽象波函数(和哥本哈根解释中的波函数一样显得高深莫测),空间中存在真实的粒子。20世纪70年代的证据显示,德布罗意-玻姆理论和标准量子力学作出了完全相同的预测。

然而,考虑到经典现实的一个元素(有形粒子),新的问题出现了。比如,在空间中无处不在的数学波函数是如何在某些地方跟实体粒子产生联系的?为什么会这样?“从那个角度来看,量子力学仍然显得十分奇怪。”托马斯·玻尔说。大多数物理学家持相同看法,但这其实只是个人偏好问题,因为实验性预测是相同的。

尼尔斯·玻尔断定,如果从量子层面看,大自然将显得奇怪至极。托马斯·玻尔认为,祖父之所以这么想,是因为他最重要的物理学研究:他在1913年对氢原子电子能级的计算。玻尔发现,电子在轨道之间跃迁时,会释放量子化的光包,没有哪种力学理论能合理地解释这一现象。他无法把电子的能级与电子的旋转运动联系起来。就连因果关系都说不通,因为在跃迁之前,电子似乎就知道它们将落在哪里,从而发出能量合适的光子。“他也许比大多数人更明白,整件事有多么奇怪。”托马斯·玻尔说,“只不过,他思想上有准备,他知道自然有可能就是这么奇怪,相比之下,大多数人并没有做好准备。”

过去几年,托马斯常常在想,祖父会如何看待弹跳油滴实验。“我觉得他会非常感兴趣。”他笑着说道,“他可能会比我更快地厘清自己的想法。他会认为这十分巧妙,因为你可以生成这样一个系统,它和德布罗意所说的东西竟然如此接近。”


翻译:何无鱼、雁行、于波

审校:Lily

编辑:漫倩

来源:Quanta Magazine

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