量子力学不仅成功解释了许多微观世界中的奇妙现象, 而且在现代科学技术中有着广泛的应用。量子力学的理论核心之一就是利用波函数来描述微观物体的量子状态。然而尽管量子力学已有近百年的发展历程, 但是波函数的本质是什么依然是一个悬而未决的谜团。最近的一项研究有助于我们揭开波函数的神秘面纱。

研究相关的论文题目为: “Realistic Interpretation of Quantum Mechanics and Encounter-Delayed-Choice Experiment”。该成果发表在2018年第3期的SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版)上, 由清华大学龙桂鲁教授担任第一和通讯作者撰写。龙桂鲁教授认为描述微观物体的波函数就是微观物体的真实存在, 而不再仅仅是一种简单的数学描述手段, 也就是说, 微观物体是以波函数的形式存在的。龙桂鲁和合作者们设计并实现了一种巧妙的相遇延迟选择实验, 实验数据很好地支持了这一观点。这项研究为人们打开了一扇认知神秘量子世界的大门。

目前, 在学术界存在多种对量子力学中波函数本质的诠释, 例如哥本哈根概率波理论、德布罗意导航波理论以及多世界理论等。其中根本哈根学派提出的概率波理论是一种较为传统的诠释, 该方案认为波函数仅是一种数学函数, 用来计算微观物体在某一处出现的概率。然而这种对波函数的诠释仅能够用于描述物理现象, 而对于如何刻画量子物体的具体存在形式却力有不及。因此, 尽管量子力学发展已有百年, 但是对波函数本质的认知至今尚未完全统一。波函数的本质问题就像是迷雾一般弥漫在人们眼前阻碍了对神秘量子世界的清晰认识。

在该项研究中, 龙桂鲁对波函数提出了一种实在诠释, 认为波函数是微观物体的存在方式, 也就是说, 微观物体以波函数的形式弥散在空间中, 同时具有振幅和相位, 以小于或等于光速的速度传播。波函数模的平方表示微观物体在空间中的分布, 当测量发生时, 根据量子力学中的波函数塌缩假设, 弥散在空间中的微观物体会发生瞬时的塌缩, 此时微观物体表现出粒子性。而由相位也即相干性引起的波函数干涉相长和相消又使得微观物体在空间中的分布形式发生变化, 从而使得微观物体能够表现出波动性。这种诠释不仅能够像传统的哥本哈根诠释一样可以描述物理现象, 而且很好地刻画了微观物体在空间中的实际存在形式, 以及测量或其他操作对这种存在形式的影响。

此外, 为了支持波函数的实在诠释, 研究者巧妙地设计了一个相遇延迟选择实验。根据上述实在诠释, Mach–Zehnder干涉仪入口处的50:50分束器会将入射单光子的波函数分成分别沿干涉仪两臂同时传播的子波函数。一段时间之后, 这两路子波函数会在干涉仪的出口处相遇。此时, 我们若在出口处也放入一个50:50的分束器(如图1(a)所示), 那么没有经过分束器的两路子波函数就不会发生干涉, 表现粒子性。相反地, 经过分束器的两路子波函数却会发生干涉, 表现波动性。单光子的波函数也即空间存在形式因而发生改变(如图1(b)所示)。研究者获得的实验数据很好地符合了波函数实在诠释预言的理论结果, 有力地支持了这一观点。

(a) 表示当两路子波函数在干涉仪出口相遇时放入分束器; (b) 表示单光子空间形态因分束器导致的子波函数干涉而引起的变化。

这项研究提出的波函数实在诠释, 将波函数看作是微观物体的真是存在, 而不再是简单的数学描述, 这打破了人们对波函数的传统认识, 对于人们深刻理解量子规律, 进一步探索微观世界都具有重要意义。

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该项研究得到了国家自然科学基金(No.11474181), 国家重点基础研究发展计划(No. 2011CB9216002), 与清华大学低维量子物理国家重点实验室开放基金的资助。

更多详情请阅原文:  

Gui-Lu Long, Wei Qin, Zhe Yang and Jun-Lin Li, Realistic Interpretation of Quantum Mechanics and Encounter-Delayed-Choice Experiment, SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2018, vol. 61, No. 3: 030311. arXiv:1410.4129.

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/doi/10.1007/s11433-017-9122-2?slug=abstract

https://arxiv.org/abs/1410.4129