一个新的量子柴郡猫思想实验打破常规

物理学家似乎对猫着迷。电动力学之父詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 研究了坠落的猫科动物s，以研究它们在坠落时如何转动。许多物理老师都曾使用猫的毛皮和硬橡胶棒来解释摩擦电现象。埃尔温·薛定谔用一个关于一只既非死也非活的猫的思想实验，生动地说明了量子物理学的奇异之处。

因此，物理学家再次求助于猫科动物来命名在 2013 年发表在《新物理学杂志》上的一篇论文中新发现的量子现象，这似乎并不令人惊讶。他们的三句话研究摘要写道：“在本文中，我们提出了一个量子柴郡猫。在一个预选和后选的实验中，我们发现猫在一个地方，而它的笑容在另一个地方。猫是一个光子，而笑容是它的圆偏振。”

新发现的现象是某些粒子特征采取与粒子不同的路径——很像路易斯·卡罗尔（数学家查尔斯·路特维奇·道奇森的笔名）在 1865 年出版的《爱丽丝梦游仙境》中柴郡猫的笑容。迄今为止，几项实验已经证明了这种奇特的量子效应。但这个想法也引起了极大的怀疑。批评者不太关心理论计算或实验严谨性，而更关心对证据的解释。“对我来说，谈论无实体的传输似乎有点大胆，”日本广岛大学的物理学家霍尔格·霍夫曼说。“相反，我们应该修正我们对粒子的看法。”

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最近，由查普曼大学的亚基尔·阿哈罗诺夫领导的研究人员将辩论提升到了一个新的水平。阿哈罗诺夫是第一篇提出量子柴郡效应的论文的合著者。现在，在预印本服务器 arXiv.org 上，他和他的同事们发布了一项理论工作的描述，他们认为这项工作证明了量子特性可以完全在没有任何粒子的情况下移动——就像一个无实体的笑容在世界各地飞舞并影响着周围环境——其方式绕过了过去提出的关键问题。

没有猫的笑容

几年前，当阿哈罗诺夫和他的同事们思考量子力学最基本的原理之一时，他们首次遇到了他们的量子柴郡猫：没有任何东西可以被明确预测。与经典物理学不同，相同的量子力学实验在完全相同的条件下可能具有不同的结果。因此，不可能预测单个实验的确切结果——只能预测其具有一定概率的结果。“没有人理解量子力学。它太违反直觉了。我们知道它的定律，但我们总是感到惊讶，”英国布里斯托尔大学的物理学家桑杜·波佩斯库说，他与阿哈罗诺夫合作撰写了 2013 年的论文和新的预印本。

但阿哈罗诺夫对这种不确定性并不满意。因此，自 20 世纪 80 年代以来，他一直在探索在量子力学的基于概率的性质下研究基本过程的方法。现年 92 岁的阿哈罗诺夫采用了一种方法，该方法涉及密集地重复实验，对结果进行分组，然后检查实验前后发生的事情，并将这些事件相互关联。“要做到这一点，你必须理解量子力学中的时间流逝，”波佩斯库解释说。“我们开发了一种全新的方法来组合来自实验前后测量的信息。”

研究人员通过这种方法偶然发现了一些令人惊讶的事情——包括他们的理论柴郡猫。他们的想法乍听起来很简单：将粒子发送到一个称为干涉仪的光学工具中，该工具使每个粒子通过两条路径之一移动，最终在末端再次合并。阿哈罗诺夫和他的同事们推测，如果巧妙地进行设置和测量，就可以表明粒子在干涉仪中行进的路径与其偏振路径不同。换句话说，他们声称粒子的特性可以在一条路径上测量到，即使粒子本身采取了另一条路径——就好像笑容和猫已经分离了一样。

受这一理论的启发，维也纳科技大学当时的托比亚斯·登克迈尔领导的一个团队在 2014 年发表的一项研究中用中子进行了实验。该团队表明，干涉仪内部的中性粒子遵循的路径与其自旋路径不同，自旋是粒子的一种量子力学特性，类似于角动量：登克迈尔和他的同事们确实找到了柴郡猫理论的证据。两年后，由波特兰大学的马克西米利安·施洛绍尔领导的研究人员成功地用光子进行了相同的实验。科学家们看到了证据，表明光粒子在干涉仪中采取的路径与其偏振路径不同。

弱测量和幻觉

但并非所有人都信服。“这种分离根本没有意义。粒子的位置本身就是粒子的一个属性，”霍夫曼说。“更准确地说，应该谈论位置和偏振之间不寻常的相关性。”去年 11 月，霍夫曼和他的同事们基于广为人知的量子力学效应提出了另一种解释。

在对柴郡猫结果的另一种解释中，巴西米纳斯吉拉斯联邦大学的巴勃罗·萨尔达尼亚和他的同事们认为，这些发现可以用波粒二象性来解释。“如果你采取不同的观点，就不会有悖论，”萨尔达尼亚说，“但所有结果都可以用传统的量子力学解释为简单的干涉效应。”

争议的焦点很大程度上在于在这些实验中检测粒子特性和位置的方式。扰动粒子可能会改变其量子力学特性。因此，光子或中子不能使用普通探测器在干涉仪内部记录。相反，科学家们必须求助于阿哈罗诺夫在 1988 年开发的弱测量原理。弱测量使得可以非常轻微地扫描粒子，而不会破坏其量子态。然而，这是有代价的：弱测量结果非常不准确。（因此，这些实验必须重复多次，以弥补每个单独的测量高度不确定的事实。）

在量子柴郡猫实验中，沿着干涉仪中的一条路径进行弱测量，然后路径合并，并用普通探测器测量射出的粒子。沿着干涉仪的一条路径，可以进行粒子位置的弱测量，而沿着另一条路径，可以进行粒子自旋的弱测量。使用探测器，物理学家可以更明确地表征通过干涉仪的粒子，并有可能重建粒子旅程中发生的事情。例如，只有某些粒子会出现在某些探测器中，这有助于物理学家拼凑出他们的中子或光子先前采取的路径。根据阿哈罗诺夫、波佩斯库及其同事的说法，柴郡猫实验最终揭示，粒子的位置可以在一条路径上得到证实，即使其偏振或自旋在另一条路径上被测量到。

萨尔达尼亚和他的合著者断言，鉴于他们目前的测量，不可能对过去的量子系统提出主张。换句话说，最终探测器中测量的光子和中子无法告诉我们太多关于它们之前轨迹的信息。相反，通过干涉仪路径的粒子的波函数可能会重叠，这将使得不可能追踪粒子采取了哪条路径。“最终，悖论行为与波粒二象性有关，”萨尔达尼亚说。但他断言，在报告量子柴郡猫证据的论文中，这些发现“以一种复杂的方式处理，掩盖了这种更简单的解释。”

与此同时，霍夫曼强调，如果您以不同的方式测量系统，结果会有所不同。这种现象在量子物理学中是众所周知的：例如，如果您先测量粒子的速度，然后再测量其位置，则结果可能与您先测量同一粒子的位置然后再测量其速度的结果不同。因此，他和他的同事们认为，阿哈罗诺夫及其团队的结论本身是正确的——粒子沿着一条路径移动，而偏振沿着另一条路径移动——但这种不同的路径并非同时适用。

正如霍夫曼的合著者，同样在广岛大学的乔恩特·汉斯告诉《新科学家》，“它看起来好像[粒子和偏振]是分离的，仅仅是因为您在一个地方测量其中一个属性，而在另一个地方测量另一个属性，但这并不意味着这些属性在一个地方和另一个地方，这意味着实际的测量本身正在以一种方式影响它，使其看起来好像在一个地方和另一个地方。”

捕捉柴郡猫的新方法？

但波佩斯库说，这些批评“没有抓住重点”。他同意萨尔达尼亚和霍夫曼各自团队提出的工作和推理是正确的——但补充说，测试任何解释的最佳方法是从每个解释中生成可测试的预测。“据我所知，没有直接的方法可以根据它们做出预测，”波佩斯库在谈到这些替代解释时说。“他们有点以一种非常老式的方式看待事物：存在矛盾，所以你就停止做数学。”

在他们最近的预印本论文中，阿哈罗诺夫和波佩斯库，连同布里斯托尔大学的物理学家丹尼尔·柯林斯，现在描述了粒子的自旋如何在完全独立于粒子本身的情况下移动——无需采用弱测量。在他们的新实验装置中，粒子位于一个细长的两部分圆柱体的左半部分，该圆柱体在外边缘处密封。由于中间有一个高反射壁，粒子隧穿到圆柱体右侧的概率极小。在他们的论文中，研究人员提供了一个证明，即使粒子在几乎所有情况下都留在左侧区域，仍然有可能在右侧外壁测量到粒子自旋的转移。“这太神奇了，不是吗？”柯林斯说。“你认为粒子有自旋，自旋应该与粒子保持在一起。但是自旋穿过了盒子，而粒子却没有。”

这种方法将解决迄今为止提出的几个关键问题。物理学家不需要弱测量。他们也不需要对实验结果进行分组以得出时间结论。（话虽如此，考虑到墙壁本身的角动量由于海森堡不确定性原理而无法明确确定，对结果进行分组仍然可以改善测量结果。）但是在这种情况下，唯一涉及的物理原理是守恒定律，例如能量守恒或动量和角动量守恒。波佩斯库和柯林斯解释说，他们希望其他团队能够实施该实验以在实验室中观察这些效应。

这项新工作引起了霍夫曼的兴趣。“这种情况令人兴奋，因为偏振和粒子运动之间的相互作用产生了特别强的量子效应，这显然与粒子图景相矛盾，”他说。

但他仍然不认为这是无实体（无粒子）自旋转移的证据。“对我来说，这首先意味着，假设存在与测量无关的现实是错误的，”霍夫曼说。相反，量子力学允许粒子的驻留扩展到圆柱体的右侧区域，即使在逻辑上看来，左侧区域的驻留是令人信服的。“我认为阿哈罗诺夫、柯林斯和波佩斯库非常清楚墙壁前面的空间并非真正是空的，”他补充道。

与此同时，萨尔达尼亚仍然认为研究人员将可以用传统的量子干涉效应解释的事情复杂化了。在讨论粒子进入实验装置右侧的概率非常低时，他解释说，“当我们提到波时，我们必须小心‘概率极小’。”粒子的波函数也可能扩展到装置的右侧，从而影响墙壁的角动量。“在没有如此戏剧性的结论的情况下，也可以做出相同的预测，”他说。

为了回应这些批评，波佩斯库说，“这当然是另一种思考方式。问题是这种解释是否有用。”无论对事件的哪种解释是正确的，量子柴郡猫都可能实现新的技术应用。例如，它可以用于在不移动物理粒子（无论是物质粒子还是光粒子）的情况下传输信息或能量。

然而，对于波佩斯库来说，物理学的基本问题起着更重要的作用。“这一切都始于我们思考时间如何在量子力学中传播，”他说。“突然，我们能够发现一些关于守恒定律的基本的东西。”

本文最初发表在《光谱》杂志上，并经许可转载。