爱因斯坦错了,测量会影响光子位置
2015-04-07 11:17:00   来源:环球网
内容摘要
量子力学是科学家试图通过实验证明爱因斯坦错误的为数不多的领域之一。近日,来自澳大利亚格里菲斯大学和日本东京大学的研究团队宣称做到了这一点,他们的实验显示,测量的确会影响被测量粒子的位置。

据国外媒体报道,量子力学是当今科学中接受实验分析最多的理论之一,也是科学家试图通过实验证明爱因斯坦错误的为数不多的领域之一。近日,来自澳大利亚格里菲斯大学和日本东京大学的研究团队宣称做到了这一点,他们的实验显示,测量的确会影响被测量粒子的位置。

关于这一奇特现象背后的“不确定性原理”,爱因斯坦早在20世纪20到30年代就表达了不支持的态度。他称这是“鬼魅般的远距作用”,即一个粒子可以同时在两个地方出现,直到有人对这个粒子进行测量时,它才具有确定的位置,但是在这一过程中,似乎并没有信号以超光速的速度传输给这个粒子。当这个粒子的位置确定时,物理学家称之为该粒子的波函数坍缩。

这一现象超出了同时代科学家的物理学经验,而且似乎与相对论相悖,后者认为光速是任何信息传播速度的上限。爱因斯坦提出,这个粒子并不是处于叠加态,也不是同时出现在两个地方,更可能的情况是它具有一个“真实”的位置,只是人们无法观测到。

这一现象可以通过一个思想实验来说明。假设有一道光束被分离成两半,一半发射到爱丽丝的实验室,另一半发射到鲍勃的实验室。然后,爱丽丝要指出是否探测到了光子,以及如果探测到的话光子处于什么状态——此时或许可以用波包来描述这个光子。在数学上,此时光子处于“叠加”状态,即它可以同时出现在两个(或更多)地方。它的波函数似乎表明光子并没有确定的位置。

格里菲斯大学量子力学中心主任霍华德·怀斯曼说:“爱丽丝的测量导致叠加态坍缩。”这意味着在测量时光子存在于此处或别处,而不是在两处同时出现。如果爱丽丝探测到一个光子,意味着在鲍勃的实验室里,光子的量子态出现了坍缩,进入了零光子状态;但如果爱丽丝并没有探测到光子,那鲍勃这边的光子就坍缩到单光子状态。

这个悖论在提出来几年之后得到了部分解答。有实验显示,尽管两个量子粒子之间的相互作用瞬时发生的,即二者信息传递速度比光速还快,但还是没有办法利用这一现象来进行信息传递。

霍华德·怀斯曼主持了新的实验,他和研究团队的成员们希望能更进一步,揭示出波函数坍缩的过程——即爱丽丝“选择”了测量并因此影响到了鲍勃的探测——是确实发生的。已经有其他实验揭示出两个粒子之间的纠缠状态,但在这项新研究中,光子是和它自身纠缠在一起。

在实验中,科学家发射的光子束经过一个分离器,一半的光传递出去到达一个实验室,另一半则经过反射到达另一个实验室(相当于前述思想实验中的爱丽丝和鲍勃的实验室)。光每一次的传播都是以单个光子的形式,因此这个光子分成了两个。在被测量之前,它以叠加态存在。

其中一个实验室利用激光作为参照,对光子的相位进行测量。如果把光想象成一道重复的正弦波,相位就是进行测量时的角度,从0到180度。当改变参照激光的角度时,就会得到对光子的不同测量结果:它或者处于某个特定的相位,或者根本就不会出现。

在另一个实验室中,科学家对光子的测量结果与前一个实验室出现了反相关性,即如果这边观测到了光子,那另一边就观测不到光子,反之亦然。后一个实验室的光子状态取决于前一个实验室的测量结果;但是,在经典物理学中这种现象是不应该出现的,两个粒子应该处于各自独立的状态。