一类重要的量子力学基础实验

管克英

（北京交通大学，理学院）

 

摘要：建议做一类实验，严格检验单个微观粒子波动性的影响区域是否有界。

 

物理学是建立在极精密实验基础上的一门科学，这门科学体现了人类对时间、空间、物质及物质运动的最基本认识。物理学中的量子力学更应如此。

 

如何将微观粒子的波粒二重性在时空中的表像统一起来一直是困惑物理学家的基本问题。对此问题，量子力学有不同学派的解释。本文不拟讨论这些不同解释，仅指出更精确的实验可能帮助理清对微观粒子本性的认识。

 

量子力学中的一个关键实验，是用弱电子束或弱光束进行的所谓单个电子或单个光子的干涉实验。这类实验都控制电子束或光束的强度，使之极弱，以致进入干涉装置内的电子或光子只能是逐个的，干涉不可能发生在不同的电子或光子之间。

已有的实验结果表明，在这种极弱电子束或光束的条件下，经长时间曝光，仍得到与强电子束或光束同样的干涉条纹。由于这类实验，人们难以拒绝微观粒子同时具有波粒二重性的结论。

 

然而，从逻辑上讲，这类实验实际上假设了每个单个电子或光子，每时每刻都存在着有限尺度并与该电子或光子一起运动的空间区域，在该空间区域粒子的波动性发挥作用，超过此区域，粒子间不能发生干涉,还假设了单粒子自相干实验中任何两个电子或两个光子的区域不同时出现在干涉装置内产生非空交集。

 

但这一假设恰是一个需要认真证实的原则问题。 如果每个时刻单个粒子波动性占据的区域有限，那么现在流行的关于量子力学是超距的说法则没有依据，“量子纠缠对”的相互纠缠距离就不可以无限制地大。反之，如果每时每刻单个粒子波动性的作用区域无限大，甚致占据全空间，那么上述的单电子或单光子的自相干实验就不能说明干涉条纹的产生是该粒子的自身干涉造成的，这将导致对波粒二重性的新认识。无论哪种情况，都涉及到量子力学中的作用是否超距的根本问题。

 

目前，人们在解释单电子或单光子自相干实验时默认单个粒子的作用范围是有限的，又在解释“量子纠缠对”等概念时称纠缠对粒子间的纠缠作用是超距的，这在理论上是自相矛盾不可接受的。

 

基于上述单个粒子自相干的实验中，实验物理学家已能做到，使任何两个电子或两个光子体现波作用的区域不同时出现在干涉装置内产生非空交集，所以理论上可以设想一类检验每个时刻单个粒子波动性占据的区域是否有限的实验方案。事先假设单个光子任意时刻表现波作用的区域半径总是限制在有限长度r内，那么当使用迈克尔逊干涉仪对弱光做单光子自相干实验时，调整干涉仪的两个臂长的差，使光程差拉大到超过2r，就不应再产生自相干的干涉条纹；在做双狭缝干涉实验时，如果双缝间的距离大过2r，也不会产生通常的干涉条纹。通过实验可检验这个设想的半径r是否存在，如果存在，还可定量地测出其大小。

 

上述实验原理简单，但根据经验与某些分析可以确信，实际上很难严格、理想、无争议地予以实现。目前关键的困难问题是实验物理学家是否能真正做到，使任何两个电子或两个光子体现波作用的区域不同时出现在干涉装置内产生非空交集。如果不能做到，那么必须重新考察已有的单粒子自相干实验是否可靠，重新考察现有量子力学的基础实验与解释。

无论如何，由于涉及到对微观粒子本质的认识，必须设法确认已有的单粒子自相干实验是否可靠。如果可靠，在此基础上设计并完成检验单个微观粒子每时每刻波作用的范围是否有界的实验。

 

相信这类实验的意义不会小于寻找“上帝粒子”的实验。

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