一項(xiàng)涉及數(shù)百個糾纏原子的新實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了薛定諤對愛因斯坦、波多爾斯基和羅森經(jīng)典思想實(shí)驗(yàn)的解釋。

1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）提出了一個觀點(diǎn)（EPR佯謬），并聲稱由此可以推斷出量子力學(xué)是對現(xiàn)實(shí)的不完備描述。EPR佯謬的基礎(chǔ)是兩個假設(shè)。第一，如果可以在不干擾物理系統(tǒng)本身的前提下明確地預(yù)測該系統(tǒng)某物理屬性的值，那么就認(rèn)為這種物理屬性具有“實(shí)在性”——即便不作測量，這種物理屬性也有確定的值。第二，物理過程產(chǎn)生的效應(yīng)都有定域性，也即不能瞬時超距作用。之后，約翰 · 貝爾（John Bell）提出了一種方法從實(shí)驗(yàn)角度檢驗(yàn)EPR佯謬的“定域?qū)嵲谡摗奔僭O(shè)，也即貝爾測試。自那之后，實(shí)驗(yàn)人員已經(jīng)通過貝爾測試證明，對于由一些小粒子（如電子或光子）構(gòu)成的系統(tǒng)，EPR佯謬不成立?，F(xiàn)在，瑞士巴塞爾大學(xué)的保羅 · 科爾西亞吉（Paolo Colciaghi）和他的同事們檢驗(yàn)了EPR佯謬對由數(shù)百個原子云組成的更大系統(tǒng)是否成立。他們的結(jié)論是，在由大量原子構(gòu)成的介觀系統(tǒng)中，EPR佯謬定域?qū)嵲谡摰挠行源嬖谝蓡枴?/p>

EPR佯謬研究的是由兩個在空間上分離的粒子A和B組成的系統(tǒng)，且A和B有一些不可交換的可觀測量對，比如它們的位置和動量。制備系統(tǒng)時，讓A和B的位置呈正相關(guān)關(guān)系，而動量則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？捎^測量之間的這種關(guān)系意味著，只要實(shí)驗(yàn)學(xué)家通過恰當(dāng)?shù)姆椒y量B粒子，應(yīng)當(dāng)就能得到A粒子位置或動量的確定值。重要的是，這個系統(tǒng)在制備時就做到了A粒子和B粒子“在空間上分離”，也就是說，測量B的行為不會對A造成任何擾動。

在定域?qū)嵲谡摰那疤嵯拢珽PR由此得到結(jié)論：A和B兩個粒子的位置和動量同時確定下來。然而，這是量子力學(xué)禁止的，量子力學(xué)認(rèn)為不可能同時明確位置和動量的值。為了解決這個矛盾，EPR提出量子力學(xué)不完備，真正完備的理論應(yīng)當(dāng)包含物理學(xué)家現(xiàn)在稱之為“定域隱變量”的東西——不過，后來，貝爾測試排除了這種可能。

大多數(shù)貝爾測試的對象都是由單個粒子組成的粒子對，但科爾西亞吉和他的同事們使用了數(shù)百個銣-87原子的原子云。他們首先在陷阱中制備了單一玻色-愛因斯坦凝聚體，并設(shè)計(jì)出一種相互作用使得組成凝聚體的原子發(fā)生糾纏。一旦從陷阱中釋放出來，玻色-愛因斯坦凝聚體就會膨脹成兩朵相互糾纏的原子云，最遠(yuǎn)相隔100微米。要想檢驗(yàn)EPR佯謬，就必須測量兩個不可交換的可觀測量。科爾西亞吉和他的同事們沒有像愛因斯坦等人原本設(shè)想的那樣測量位置和動量，而是測量了“贗自旋”——構(gòu)成兩能級系統(tǒng)的一對量子態(tài)，類似自旋?！摆I自旋”由兩個超精細(xì)能級定義，一個能級上的原子數(shù)減去另一個能級上的原子數(shù)，就得到了每朵原子云的贗自旋。測量第一個不可交換自旋可觀測量，只需直接計(jì)算每個能級的原子數(shù)量。第二個與之互補(bǔ)的自旋可觀測量則通過與之前計(jì)數(shù)的原子存在相互作用的脈沖測量。實(shí)際上，這類借助原子系綜檢驗(yàn)EPR佯謬的測試之前就已經(jīng)使用過，但科爾西亞吉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)與之前的測試有一個重要的區(qū)別：在科爾西亞吉團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，測量參數(shù)的選擇——即測量兩個不可交換自旋可觀測量中的哪一個——是獨(dú)立于各朵原子云確定的。這種獨(dú)立性對于檢驗(yàn)真正的EPR佯謬至關(guān)重要，因?yàn)槿绻粷M足這種獨(dú)立性，就無法排除系統(tǒng)本身的影響。

科爾西亞吉和同事先是在不使用脈沖的情況下測量B原子云的自旋，并依據(jù)測量結(jié)果推導(dǎo)出A原子云的自旋，得到理論推導(dǎo)結(jié)果。接著，他們又借助脈沖測量A和B原子云，得到實(shí)際測量結(jié)果。通過比較理論推導(dǎo)結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果之間的誤差，科爾西亞吉團(tuán)隊(duì)就能探索EPR關(guān)聯(lián)性。雖然這些誤差的積不為零，但相對于實(shí)驗(yàn)中測量的海森堡不確定性積下限來說，這些誤差的積確實(shí)很小。于是，EPR佯謬就得到了證實(shí)，因?yàn)锳的不可交換自旋可觀測量可以推導(dǎo)出來，而且結(jié)果精確度是用A的任何定域量子態(tài)都無法量化的。然而，如果這類關(guān)聯(lián)性是在B處進(jìn)行的測量以某種方式通過非經(jīng)典手段影響A處的結(jié)果而產(chǎn)生的，那么這項(xiàng)涉及大量原子的實(shí)驗(yàn)就具備了相當(dāng)?shù)暮暧^性，這很有意思。

接著，科爾西亞吉團(tuán)隊(duì)對他們的實(shí)驗(yàn)作了一個非常有啟迪作用的修正。1935年，薛定諤用著名的處于疊加態(tài)的貓的例子回應(yīng)了EPR的觀點(diǎn)。不太為人所知的是，薛定諤當(dāng)時還設(shè)想了一種情況，即通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)設(shè)置同時測量兩個互補(bǔ)變量，“一個通過直接測量，另一個通過間接測量”。薛定諤深入思考了兩個變量的值是否可以通過如此選擇的測量實(shí)驗(yàn)設(shè)置精確確定下來（在測量結(jié)束之前，這種測量設(shè)置固定不變）。同時，他還提出疑問，如果確實(shí)能這樣確定下來，那么這是否違背了量子力學(xué)？科爾西亞吉團(tuán)隊(duì)通過控制脈沖決定測量哪朵原子云的自旋，進(jìn)而得以營造這樣一種場景：測量過程中保持B原子云的測量設(shè)置固定不變，同時實(shí)驗(yàn)人員能夠改變A原子云的測量設(shè)置。

研究人員證明，他們既可以直接測量A原子云一個變量的值，也可以通過測量B原子云間接推斷出A原子云互補(bǔ)變量的值。此外，通過再次調(diào)整A原子云的測量設(shè)置，他們展示了如何恢復(fù)與B原子云測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性。這說明，改變A原子云的測量設(shè)置并不會改變推導(dǎo)值（測量B原子云，根據(jù)結(jié)果間接推斷出A原子云互補(bǔ)變量的值）的正確性。這一發(fā)現(xiàn)是否意味著，只要B原子云的測量設(shè)置固定，對A原子云的測量結(jié)果就具備某種現(xiàn)實(shí)性？至于直接測量變量的值，確定測量設(shè)置后，只要原子與脈沖發(fā)生了充分相互作用，這個系統(tǒng)就做好了充分準(zhǔn)備，可以統(tǒng)計(jì)兩個能級中的原子數(shù)量。那么，無論實(shí)驗(yàn)人員有沒有真的計(jì)數(shù)，是否所有可能被計(jì)數(shù)的原子都已經(jīng)處在那兩個能級中了？實(shí)驗(yàn)的介觀屬性似乎強(qiáng)化了薛定諤的觀點(diǎn)：一旦測量設(shè)置確定，在測量還未結(jié)束之前（因?yàn)檫€要對處于兩個能級的原子作計(jì)數(shù)），可觀測量的值就是固定的。

這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果究竟有什么含義？我們還不完全清楚。要確認(rèn)通過間接方法得到的A原子云可觀測量的值是否正確，需要更深入的相互作用來改變測量設(shè)置，也就是要改變量子態(tài)。因此，兩個自旋值在測量之前都已確定的命題并不違反測不準(zhǔn)原理。另外，貝爾定理也不禁止這種情況，因?yàn)樨悹柖ɡ磉m用的是發(fā)生相互作用之前（測量設(shè)置確定之前）定義的變量。然而，正如薛定諤提出的那樣，根據(jù)量子力學(xué)，通過測量B原子云間接得到可觀測量的值之后，A系統(tǒng)似乎應(yīng)該由波函數(shù)描述，而且，正如薛定諤所說，在這個波函數(shù)中，間接測量值是“完全清晰的”，而直接測量值是“完全不確定的”。另外，薛定諤還進(jìn)一步質(zhì)疑了同時測得位置x和動量p的值是否合理。他證明，如果可以同時測量這兩個可觀測量的值，那么x2+p2的值一定是奇整數(shù)——盡管x和p是連續(xù)的，因而顯然可以不受這個條件的限制。上述種種問題目前仍然懸而未決，進(jìn)一步作更加細(xì)致的檢驗(yàn)或許能給出答案。

資料來源 Physics

本文作者瑪格麗特 · 里德（Margaret Reid）是澳大利亞斯威本科技大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)中心主任、教授。