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量子物理实验表明,在某种意义上,海森堡“测不准理论”是正确的

不确定性这个词在量子力学中使用得很多。有一种观点认为,这意味着世界上存在着我们不确定的东西。但是大多数物理学家相信自然本身是不确定的。

内在不确定性是德国物理学家、现代量子力学创始人之一维尔纳海森堡(Werner Heisenberg)提出这一理论的核心。他提出的测不准原理表明,我们不可能同时知道一个粒子的所有性质。

例如,测量粒子的位置可以让我们知道它的位置。但是这种测量必然会干扰它的速度,其干扰量与位置测量的精度成反比。

海森堡错了吗?

海森堡利用不确定性原理解释了测量将如何破坏量子力学的经典特征--双缝干涉图样(详见下文)。

但早在上世纪90年代,一些著名的量子物理学家就声称,他们已经证明,在不显著干扰粒子速度的情况下,确定一个粒子通过的两条狭缝中的哪一条是可能的。

这是否意味着海森堡的解释一定是错的?在刚刚发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中,我和我的实验同事们已经表明,过早得出这个结论是不明智的。

从某种意义上说,我们证明了速度扰动总是存在的,其大小与不确定原理所期望的大小相同。但在深入细节之前,我们需要简要解释一下双缝实验。

双缝实验

在这类实验中,有一个带有两个孔或缝隙的屏障。我们还有一个位置不确定的量子粒子,如果它被发射到势垒上,它的位置不确定度大到足以覆盖两个狭缝。

因为我们不知道粒子通过哪条缝,所以它的行为就好像它通过了两条缝。这种现象的特征就是所谓的“干涉模式”:粒子可能出现在狭缝之外很远的地方的屏幕上的波纹分布,意味着距离狭缝很远(通常只有几米)。

粒子同时通过两个狭缝,在远场的屏幕上形成干涉图样。有些条带(暗)更容易出现,而有些条带(亮)则不太可能出现。

但是如果我们在势垒附近放置一个测量装置来找出粒子通过的是哪条缝呢?我们还能看到干涉图样吗?

我们知道答案是否定的,海森堡的解释是,如果狭缝的位置测量精度足够告诉粒子穿过,它会给一个随机扰动速度就足以影响最终在远场,因此洗出干扰的涟漪。

杰出的量子物理学家们意识到,要找出粒子穿过的狭缝并不需要测量位置。任何根据粒子穿过的狭缝给出不同结果的测量都可以。

他们提出了一种装置,它对粒子的影响不是通过一个随机的速度踢。因此,他们认为,解释干扰损失的不是海森堡的不确定性原理,而是其他一些机制。

海森堡预测

我们不需要研究他们所声称的破坏干扰的机制,因为我们的实验表明,粒子的速度受到影响,其大小与海森堡预测的一致。

我们看到其他人忽略了什么,因为当粒子通过测量装置时,速度扰动不会发生。相反,它被推迟,直到粒子穿过狭缝,在通往远场的路上。这怎么可能呢?因为量子粒子不仅仅是粒子。它们也是波。

事实上,我们的实验背后的理论是一个波和粒子的性质都很明显的理论-波引导粒子的运动,根据理论物理学家David Bohm介绍的解释,在海森堡之后的一代人。

我们的实验

在我们最新的实验中,中国科学家采用了我在2007年提出的一种技术,从两个狭缝的许多不同的可能起点,以及测量的两个结果,重建量子粒子的假设运动。他们比较了没有测量装置时和有测量装置时速度随时间的变化,从而确定了测量结果引起的速度变化。

实验表明,测量对粒子速度的影响在粒子清除测量装置本身后仍持续很长时间,最远可达5米。到那个时候,在远场中,累积的速度变化已经足够大了,平均而言,足以冲掉干涉图样中的波纹。因此,最终,海森堡的不确定性原理获得了胜利。

在你考虑了原则的所有理论公式之前,不要对什么原则能或不能解释一个现象作出影响深远的论断。这是一个有点抽象的信息,但它的建议可以应用在远离物理的领域。

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