一个粒子在两条路径上:量子物理学是正确的

诸平

The lab at the ILL in Grenoble Laurent Thion, ILL. Credit: Vienna University of Technology

据奥地利维也纳理工大学（Vienna University of Technology，简称TU Wien）2022年5月11日提供的消息, 一个粒子在两条路径上:量子物理学是正确的（One particle on two paths: Quantum physics is right）。

双缝实验是量子物理学中最著名的，可能也是最重要的实验:单个粒子被射向一个有两个开口的墙壁，检测器在其后面测量粒子到达的位置。这表明粒子并不像经典物体那样沿着特定的路径运动，而是同时沿着多条路径运动:每个粒子同时通过左开口和右开口。

但通常，这只能通过反复进行实验，最后对许多粒子检测结果进行评估来证明。在TU Wien,研究人员开发了一个新变型的双向干涉实验（two-way interference experiment）,可以纠正这种缺陷: 在一个特定位置测量一个中子,由于复杂的测量设置,这个单一的测量已经证明,粒子在同一时间沿着两个不同的路径移动。甚至可以确定中子在两条路径间的分布比例。因此，量子叠加（quantum superposition）现象可以被证明，而不必诉诸于统计论点。研究结果于2022年4月27日已经在《物理评论研究》（Physical Review Research）杂志网站发表——Hartmut Lemmel, Niels Geerits, Armin Danner, Holger F. Hofmann, Stephan Sponar. Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer. Physical Review Research, 2022, 4(2): 023075 – Published 27 April 2022. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.4.023075. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.023075

双缝实验（The double-slit experiment）

维也纳理工大学原子研究所（Atomic Institute at TU Wien）的斯蒂芬·斯巴纳（Stephan Sponar）解释说：“在经典的双缝实验（double-slit experiment）中，在双缝后面产生了干涉图样。粒子以波的形式同时通过两个开口，然后两种局部波会相互干扰。在一些地方，它们相互加强，在另一些地方，它们相互抵消。”

在一个非常特定的位置测量双缝后面粒子的概率取决于这个干涉图:在量子波被放大的地方，测量粒子的概率很高。当量子波被抵消时，则测量粒子的概率很低。当然，这种波分布是不能通过单个粒子来观察的。只有当实验重复多次后，波的图案才变得越来越容易辨认，一点一点地，一个粒子一个粒子地。

开发了这个实验背后理论的日本广岛大学（Hiroshima University）的霍尔格·霍夫曼(Holger Hofmann)说:“因此，单个粒子的行为可以根据只有通过对许多粒子的统计调查才能看到的结果来解释。当然，这并不完全令人满意。因此，我们考虑了如何通过探测单个粒子来证明双向干涉现象。”

旋转的中子（Rotating the neutron）

这是在法国格勒诺布尔市的劳厄-朗之万研究所(Institut Laue-Langevin简称ILL) 中子源的中子的帮助下实现的:中子被发送到一个晶体上，该晶体将中子的量子波分裂成两个部分波，非常类似于经典的双缝实验。这两种部分中子波沿着两条不同的路径运动并重新组合。它们相互干扰，然后被测量。上述由维也纳理工大学提供的照片就是位于法国格勒诺布尔·劳伦特·蒂昂的ILL实验室。

ILL位于法国格勒诺布尔(Grenoble)，与欧洲同步辐射装置ESRF毗邻。ILL是著名的国际性科学组织，除发起国法国(原子能研究中心CEA和国家科学研究院CNRS)、德国(冯-黑尔姆霍尔茨联合会FZJ)外，英国1973年加入合作和管理，由英国政府委托科学和技术设施委员会STFC(Science and Technology Facilities Council)执行。之后，另有西班牙、瑞士、奥地利、意大利、比利时、匈牙利、俄罗斯、捷克、瑞典等11个欧洲国家成为合作伙伴。

然而，除此之外，还利用了中子的另一特性:它的自旋——粒子的角动量。它会受到磁场的影响，中子的角动量会指向不同的方向。如果中子的自旋只在两条路径中的一条上旋转，就有可能确定它走了哪条路径。然而，干涉图案随后也消失了，这是量子力学互补（complementarity in quantum mechanics）的结果。

上述论文的第一作者哈特穆特·莱梅尔（Hartmut Lemmel）解释说：“因此，我们稍微旋转了一下中子的自旋，然后干涉图案就会保留下来，因为你只能获得关于路径的很少的信息。为了仍然获得精确的路径信息，这种“弱”测量在常规实验中重复了许多次。然而，这样一来，人们只能得到关于整个中子群的统计结论，而对于每一个单独的中子却只能说得很少。”

可逆旋转（Reversing the rotation）

如果两个中子分波合并后，使用另一个磁场(magnetic field)将自旋再次转回来，情况就不同了。通过反复试验，可以确定将叠加态（superimposed state）的自旋转回原来方向所必需的旋转角度。这种旋转的强度是中子在每个路径中存在的强度的度量。如果它只是沿着旋转过的方向旋转，那么要把它转回来，就必须有完整的旋转角度。如果它只走另一条路，就根本不需要反向旋转。在使用一种特殊的不对称分束器进行的实验中，发现有三分之一的中子出现在一条路径上，三分之二出现在另一条路径上。

通过详细的计算，该团队能够表明:在这里，人们不仅检测到所有被测量中子总数的平均值，而且这种说法适用于每个单独的中子。确定最佳旋转角度需要许多中子，但一旦确定了最佳旋转角度，由此确定的路径就适用于每一个检测到的中子。

斯蒂芬·斯巴纳说：“我们的测量结果支持经典量子理论。新奇之处在于，人们不必求助于令人不满意的统计论点:当测量单个粒子时，我们的实验表明，它一定同时采取了两条路径，并明确地量化了各自的比例。”这就排除了试图解释双缝实验的量子力学的其他解释。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

发现新的量子效应:自旋-旋转耦合（Novel quantum effect found: Spin-rotation coupling）

Abstract

It is commonly assumed that no accurate experimental information can be obtained on the path taken by a particle when quantum interference between the paths is observed. However, recent progress in the measurement and control of quantum systems may provide the missing information by circumventing the conventional uncertainty limits. Here, we experimentally investigate the possibility that an individual neutron moving through a two-path interferometer may actually be physically distributed between the two paths. For this purpose, it is important to distinguish between the probability of finding the complete particle in one of the paths and the distribution of an individual particle over both paths. We accomplish this distinction by applying a magnetic field in only one of the paths and observing the exact value of its effect on the neutron spin in the two output ports of the interferometer. The results show that individual particles experience a specific fraction of the magnetic field applied in one of the paths, indicating that a fraction or even a multiple of the particle was present in the path before the interference of the two paths was registered. The obtained path presence equals the weak value of the path projector and is not a statistical average but applies to every individual neutron, verified by the recently introduced method of feedback compensation.