新的实验结果挑战了最近对量子力学中一个基本思想的批评

2019-07-26 15:44:06

不确定”这个词在量子力学中被广泛使用。一种思想流派认为,这意味着世界上有一些我们不确定的东西。但大多数物理学家认为大自然本身是不确定的。

内在的不确定性是德国物理学家Werner Heisenberg(现代量子力学的创始人之一)提出这一理论的核心。

他提出了不确定性原理,表明我们无法同时知道粒子的所有属性。

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其速度,其量与位置测量的精度成反比。

海森堡错了吗?

海森堡使用不确定性原理来解释测量如何破坏量子力学的经典特征,即双缝干涉模式(下面将详细介绍)。

但早在20世纪90年代,一些着名的量子物理学家声称已经证明可以确定粒子穿过的两个狭缝中的哪一个,而不会明显扰乱它的速度。

这是否意味着海森堡的解释一定是错的?在刚刚发表在“科学进步”杂志上的工作中,我的实验同事和我已经表明,跳到这个结论是不明智的。

我们表明速度扰动 - 从不确定性原理预期的大小 - 在某种意义上总是存在。

但在进入细节之前,我们需要简要解释一下双缝实验。

双缝实验

在这种类型的实验中,存在具有两个孔或狭缝的屏障。我们还有一个量子粒子,其位置不确定性足以覆盖两个狭缝,如果它在屏障上发射。

因为我们无法知道粒子穿过哪个狭缝,所以它就像穿过两个狭缝一样。这就是所谓的“干涉图案”:在狭缝之外的远场屏幕上可能发现粒子的位置分布的涟漪,这意味着在狭缝之外有很长的距离(通常是几米) 。

但是,如果我们在屏障附近放置一个测量装置来找出粒子穿过哪个狭缝怎么办?我们还会看到干涉模式吗?

我们知道答案是否定的,海森堡的解释是,如果位置测量足够精确,可以判断出粒子穿过哪个狭缝,它会对其速度产生随机干扰,这个干扰足以影响它在远场的最终位置。 ,从而洗掉干扰的涟漪。

众所周知的量子物理学家意识到,找出粒子经过哪个狭缝并不需要进行位置测量。任何根据粒子通过哪个狭缝得到不同结果的测量都可以。

他们想出了一种装置,它对粒子的影响不是随机速度的影响。因此,他们认为,海森堡的不确定性原则不是解释干扰的损失,而是其他一些机制。

正如海森堡预测的那样

我们没有必要进入他们所声称的破坏干扰的机制,因为我们的实验已经证明了粒子速度的影响,只是海森堡预测的大小。

我们看到了其他人遗漏的东西,因为粒子通过测量装置时不会发生这种速度扰动。相反,它会延迟,直到粒子远离狭缝,在通向远场的路上。

这怎么可能?好吧,因为量子粒子实际上不仅仅是粒子。它们也是波浪。

实际上,我们实验背后的理论是波和粒子性质都显现出来的理论 - 波浪根据理论物理学家大卫·博姆(Hehenberg)之后的一代人所引入的解释引导粒子的运动。

我们来试验吧

在我们最新的实验中,中国的科学家们采用了我在2007年提出的一项技术来重建量子粒子的假设运动,从两个狭缝的许多不同的可能起点,以及两种测量结果。

他们比较了没有测量装置时的速度随时间的变化,并确定了测量结果导致的速度变化。

实验表明,在颗粒清除测量装置本身之后,测量对颗粒速度的影响持续很长时间,距离它只有5米。

到那时,在远场中,平均速度的累积变化足够大,以清除干涉图案中的波纹。

因此,最终,海森堡的不确定性原则取得了胜利。

带回家的消息?在你考虑了原理的所有理论表述之前,不要对什么原则可以或不能解释现象做出深远的主张。

是的,这是一个抽象的消息,但它的建议可以应用于远离物理学的领域。对话

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