中子的奇怪運(yùn)動(dòng)證明自然界從根本上是奇怪的

在最小的尺度上，我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的直覺(jué)觀點(diǎn)不再適用。這幾乎就像物理學(xué)從根本上是優(yōu)柔寡斷的，當(dāng)我們放大使我們的大學(xué)像素化的粒子時(shí)，這一事實(shí)變得越來(lái)越難以忽視。

為了更好地理解它，物理學(xué)家不得不設(shè)計(jì)出一種全新的框架把它放在里面，一個(gè)基于概率而不是確定性的東西。這是量子理論，它描述了各種各樣的現(xiàn)象，從糾纏到疊加。

然而，盡管一個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)表明，量子理論在解釋我們所看到的方面有多么有用，但很難動(dòng)搖我們對(duì)宇宙構(gòu)建塊的“經(jīng)典”觀點(diǎn)，即宇宙的組成部分是時(shí)間和空間的可靠固定裝置。甚至愛(ài)因斯坦是被迫的問(wèn)他的物理學(xué)家同伴，“你真的相信嗎月亮當(dāng)你不看它的時(shí)候，它就不在那里嗎？

幾十年來(lái)，許多物理學(xué)家一直在問(wèn)，我們用來(lái)描述宏觀經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)是否也可以用來(lái)解釋所有的量子物理學(xué)。

現(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究也確定，答案是一個(gè)大胖子。

具體來(lái)說(shuō)，中子在光束中發(fā)射中子干涉儀可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方，這在經(jīng)典物理學(xué)下是不可能的。

該測(cè)試基于一個(gè)稱(chēng)為Leggett-Garg不等式，它指出一個(gè)系統(tǒng)始終確定地處于它可用的一種或另一種狀態(tài)中?；旧?，薛定諤的貓要么是活著的，要么是死的，我們能夠確定它處于哪種狀態(tài)，而我們的測(cè)量結(jié)果不會(huì)影響。

宏觀系統(tǒng)——那些我們可以?xún)H使用經(jīng)典物理學(xué)就能可靠地理解的系統(tǒng)——遵循Leggett-Garg不等式。但是量子領(lǐng)域的系統(tǒng)違反了它。貓既活著又死了，這是量子疊加的類(lèi)比。

“它背后的想法與更著名的相似貝爾不等式，為此于 2022 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，”物理學(xué)家伊麗莎白·克魯茲格魯伯（Elisabeth Kreuzgruber）說(shuō)維也納工業(yè)大學(xué)。

“然而，貝爾不等式是關(guān)于一個(gè)粒子的行為與另一個(gè)量子糾纏粒子的相關(guān)性有多強(qiáng)的問(wèn)題。Leggett-Garg不等式只與一個(gè)單一物體有關(guān)，并提出了一個(gè)問(wèn)題：它在特定時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)與同一物體在其他特定時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)有何關(guān)系？

中子干涉儀涉及向目標(biāo)發(fā)射一束中子。當(dāng)光束穿過(guò)設(shè)備時(shí)，它會(huì)一分為二，光束的每個(gè)插腳都行進(jìn)不同的路徑，直到它們后來(lái)重新組合。

Leggett 和 Garg 定理指出，在簡(jiǎn)單的二進(jìn)制系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量可以有效地給出兩個(gè)結(jié)果。將來(lái)再次測(cè)量它，這些結(jié)果將是相關(guān)的，但只能達(dá)到某個(gè)點(diǎn)。

對(duì)于量子系統(tǒng)，Leggett 和 Garg 定理不再適用，允許相關(guān)性高于此閾值。實(shí)際上，這將為研究人員提供一種方法來(lái)區(qū)分系統(tǒng)是否需要量子定理才能被理解。

“然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題并不容易，”物理學(xué)家理查德·瓦格納（Richard Wagner）說(shuō)維也納工業(yè)大學(xué)?！叭绻覀兿霚y(cè)試宏觀現(xiàn)實(shí)主義，那么我們需要一個(gè)在某種意義上是宏觀的物體，即其大小與我們通常的日常物體的大小相當(dāng)。”

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，干涉儀中中子束的兩部分之間的空間在一個(gè)比量子更宏觀的尺度上。

“量子理論說(shuō)，每一個(gè)中子都同時(shí)在兩條路徑上行進(jìn)，”物理學(xué)家尼爾斯·吉里茨（Niels Geerits）說(shuō)維也納科技大學(xué)?！叭欢瑑筛糠止馐嗑鄮桌迕?。從某種意義上說(shuō)，我們正在處理一個(gè)按照量子標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)是巨大的量子物體。

研究人員使用幾種不同的測(cè)量方法，在不同時(shí)間探測(cè)了中子束。而且，可以肯定的是，這些測(cè)量值的相關(guān)性太緊密，以至于宏觀現(xiàn)實(shí)的經(jīng)典規(guī)則無(wú)法發(fā)揮作用。他們的測(cè)量表明，中子實(shí)際上同時(shí)在兩條不同的路徑上行進(jìn)，相隔幾厘米的距離。

這只是一個(gè)最新的一長(zhǎng)串的 Leggett-Garg 實(shí)驗(yàn)這表明我們確實(shí)需要量子理論來(lái)描述我們生活的宇宙。

“我們的實(shí)驗(yàn)表明：大自然真的像量子理論聲稱(chēng)的那樣奇怪，”物理學(xué)家斯蒂芬·斯波納爾（Stephan Sponar）說(shuō)維也納工業(yè)大學(xué)?！盁o(wú)論你提出哪種經(jīng)典的、宏觀現(xiàn)實(shí)的理論：它永遠(yuǎn)無(wú)法解釋現(xiàn)實(shí)。沒(méi)有量子物理學(xué)，它就行不通。

該研究已發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào).

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