參考消息網11月8日報道英國《新科學家》周刊11月6日一期發表題為《可以證明現實的量子實驗并不存在》的文章，作者系托馬斯·萊頓，文章稱，有關量子力學的新的實驗不僅是調查量子世界和經典世界之間是否存在硬邊界，而且還在探索現實的真實本質。全文摘編如下：

這是一個關于森林中一棵樹的古老哲學問題。如果它倒下時沒人聽到，它會發出聲音嗎？如果問量子物理學家，他們可能會說聲音就在那兒——但你不能确定樹就在那裡。

長期以來，量子力學一直在以最小的速度拓展我們對現實的理解。在量子世界中，我們隻能知道某物出現在一個或另一個地方的可能性——我們看到它，才認為有明确位置。這困擾着阿爾伯特·愛因斯坦。他說：“我喜歡想象月亮就在那裡，即使我沒有看着它。”

現在，一類新的實驗正在檢驗愛因斯坦的信念，看看量子的古怪是否超越了誇克、原子和量子比特的微小世界，延伸到了桌子、椅子和衛星的日常世界。這些實驗不僅是調查量子世界和經典世界之間是否存在硬邊界，而且還在探索現實的真實本質。

颠覆愛因斯坦理論

1935年，愛因斯坦提出了一個思想實驗，旨在揭示量子力學是一個不完整的現實理論，遲早會被取代。他與同事鮑裡斯·波多爾斯基和内森·羅森一起設想了一對相互糾纏的粒子，這樣無論對一個粒子做什麼，都會立即影響另一個粒子。現在想象一下，将這些粒子放置在宇宙的兩端，并進行相同的測量。乍一看，信息在粒子之間的傳輸速度似乎比光速還快。

愛因斯坦認為，這種“遠距離的詭異行為”是如此荒謬，因此任何糾纏實驗的結果都必須預先确定。物理學家約翰·貝爾也對量子力學的不明确的性質感到不适。1964年，他設計了一種數學方法來檢驗這一悖論，稱為貝爾不等式。如果愛因斯坦和他的同事是對的，那麼貝爾不等式就成立。

一次又一次的實驗發現，貝爾不等式不成立。牛津大學的弗拉特科·韋德拉爾表示，如果你堅持認為現實的行為是經典物理的，而不是量子物理，那麼為了解釋量子糾纏和貝爾不等式的悖謬，“你必須假設某些事情發生得比光速更快”。以愛因斯坦為例：量子怪異是現實，否則信息就會突破宇宙的速度限制。

但這隻是故事的一部分。貝爾不等式論證位置問題，即物體之間的空間很重要。它不能回答當你不看的時候月亮是否在那裡的問題。實在論認為，粒子的位置、速度、能量和其他屬性可以得到合理的定義，且對物體進行測量應該不會影響其未來的行為。相反，量子力學增加了不确定性和疊加态，這是許多可能的特性的混合，當進行測量時，這些特性就會崩塌。

你猜對了，宏觀物體中的實在論叫做宏觀實在論。當你觀測月亮或用激光測量它有多遠時，你不會改變它——至少，不是根據我們對世界的常識來改變。“宏觀實在論是經典現實的最充分表達。”倫敦帝國理工學院的喬納森·哈利韋爾說。

非侵入實驗的局限

由安東尼·萊格特和阿努帕姆·加格于1985年提出的萊格特-加格不等式也在尋找測量之間的相關性，以判斷是否遵守了量子規則或經典規則。近年來，第一批萊格特-加格不等式實驗已經在從超導流體和光子到原子核和微小晶體的簡單量子系統上進行。這些再次證明了微觀世界是不真實的。萊格特-加格實驗的訣竅在于确保它們是非侵入性的，這意味着需要有一種在不幹擾粒子的情況下測量粒子的方法。

現在，是時候測試一些更大的東西了。奧地利維也納大學的馬庫斯·阿恩特和他的同事們觀察到了目前已知的以量子方式表現的最大的物質，他們正在進行一種不同的實驗。2020年，他們使用了雙狹縫裝置，讓物體一次穿過一個狹縫，觀察它們是否像波一樣形成幹涉的圖案，以表明蛋白質遵守量子規則。這種方法有其問題。當你在處理大型、複雜的物體時，它們的量子特性由于與周圍環境相互作用而很快消失——這一現象被稱為消相幹。

萊格特-加格實驗也同樣棘手。它們有自己的消相幹來源，但研究人員還必須找到在不幹擾的情況下測量系統的方法。隻有這樣，你才能确定物體是否處于量子疊加狀态。

不可能将大多數以非連續運動的量子系統拖入連續運動的經典世界。這使得我們很難在同一實驗中檢查量子物體和我們通常認為是經典的物體。但倫敦大學學院的理論家蘇加托·博斯有一個計劃。他建議使用一種可以超越經典和量子世界的實驗裝置。

他心目中的裝置是一個簡諧振子，包括一個困在井裡的物體，像鐘擺一樣來回擺動。确切地說，它的振蕩方式取決于它是否遵守量子規則或經典規則。由于理論上簡諧振子的大小沒有限制，博斯和他的合作者希望利用它向宏觀世界邁進一步——使用質量是阿恩特團隊測試對象10萬倍的納米晶體。

自從博斯和他的合作者在2018年提出這項實驗以來，在捕獲和冷卻納米晶體以避免消相幹方面取得的進展，再加上新的精密激光加持，意味着這個想法現在可以實現。與英國南安普頓大學的實驗學家亨德裡克·烏爾布利希特合作，博斯計劃對大約10億個原子組成的納米晶體進行測試。

直到最近，激光才變得足夠敏銳，可以确定納米晶體在哪一邊振蕩。較大的粒子由較小的波描述，因此對于這些納米晶體，激光必須能夠分辨出水分子大小的寬度。烏爾布利希特和博斯預計在未來六個月内出結果。如果這個實驗違反了萊格特-加格不等式，它将打破宏觀物體的實在論概念。

盡管如此，即使這是最終的結果，也很難讓每個人相信量子世界已經延伸到了這一步。首先，萊格特-加格實驗實際上檢驗了一個系統的運行是否符合經典；如果不是，就假定它以量子力學方式運行，但事實可能并非如此。另一個絆腳石是一系列漏洞，盡管該系統的運行是經典的，這些漏洞可能導緻不符合萊格特-加格不等式。雖然測量應該是非侵入性的，但實際情況打開了所謂的不靈巧漏洞。

後量子時代将到來？

貝爾不等式的無漏洞檢驗直到2015年才發表，比貝爾最初的想法晚了半個世紀。即使是現在，目光敏銳的物理學家仍在不斷指出這些實驗設計中可能出現的新不足。烏爾布利希特承認，他們的實驗也可能存在漏洞。

沒有一項實驗與量子力學相矛盾。而且，隻要将系統與環境的消相幹隔離開來，就沒有理由認為量子怪異不适用于像月球這樣大，甚至更大的物體。

但烏爾布利希特希望，這些實驗可能會顯示一堵任何量子系統都無法逾越的磚牆。量子世界和經典世界之間的這樣一堵牆将拯救我們所知的現實，為我們的常識世界提供一種擺脫量子怪誕的方式。

牛津大學的基亞拉·馬列托說，“無論你是否喜歡量子理論，找到與量子理論預測的偏差都是很棒的，因為這樣我們就可以嘗試尋找新的理論”。“人們感到沮喪的是，量子理論真的很善于通過實驗來被證實。”

那麼，當你不看的時候，月亮就在那裡嗎？或者森林裡的那棵樹是不是一開始就應該倒在那裡的呢？随着萊格特-加格不等式的測試悄悄進入真正的宏觀世界，答案越來越多地是否定的。

未來的萊格特-加格不等式甚至有可能不僅不符合經典世界的規則，而且還會打破迄今牢不可破的量子規則。“這會讓你一窺後量子世界的面貌，”韋德拉爾說，“很難想象這會是什麼樣子，但我認為我們會發現更奇怪的東西。”

英國《新科學家》周刊11月6日一期封面

來源：參考消息網

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