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91年前的索爾維會(huì)議上，玻爾的波粒二象性理論擊敗了德布羅意的導(dǎo)波理論，贏得了大多數(shù)數(shù)學(xué)家的認(rèn)可。 但最近，一項(xiàng)油滴實(shí)驗(yàn)迫使學(xué)術(shù)界重新思考這一爭議。
來源
編譯賈曉軒明曉
審稿人 明瀟湘 飛飛 唐朝
齊伊銀 編輯
2005年，倫敦的一名中學(xué)生偶然做了一個(gè)“彈跳油滴實(shí)驗(yàn)”（-），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能顛覆玻爾量子熱理論的現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)微小的油滴落在振動(dòng)的油浴表面時(shí)，它會(huì)在浴缸表面上下彈跳，并具有穿越障礙物等行為，再現(xiàn)量子現(xiàn)象，毫無神秘色彩！
由流體化學(xué)家 Yves 領(lǐng)導(dǎo)的中學(xué)生實(shí)驗(yàn)室描述了 Coudé 所描述的“油滴在油上滑動(dòng)”，他們發(fā)現(xiàn)彈跳的油滴在油表面的中心周圍彈跳。 旋轉(zhuǎn)時(shí)，它只沿著單獨(dú)的“量子化”軌道移動(dòng)，有時(shí)會(huì)彈到另一個(gè)量子軌道，這與原子核中電子的運(yùn)動(dòng)非常相似。
庫代突然意識(shí)到，他們可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)長期被遺忘的量子愿景。 這個(gè)想法是由德國化學(xué)家路易斯·德布羅意（）提出的，它與尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）所倡導(dǎo)的量子熱標(biāo)準(zhǔn)“哥本哈根演繹”（）有著完全不同的量子解釋。
玻爾與德布羅意之爭
一個(gè)世紀(jì)前，第一個(gè)粒子實(shí)驗(yàn)取得了令人難以置信的結(jié)果。 德國化學(xué)家玻爾提出了量子熱的標(biāo)準(zhǔn)“哥本哈根演繹”，打破傳統(tǒng)量子物理學(xué)中最有名的人物，聲稱一切在量子尺度上觀察之前都是“不真實(shí)的”。 粒子的位置不再是“確定的”，而是在檢測之前是隨機(jī)的，由概率波函數(shù)（波）確定。 在檢測的瞬間：波函數(shù)塌縮成一個(gè)點(diǎn)，粒子飛過這個(gè)點(diǎn)，在那里它的位置真正變得“真實(shí)”。
當(dāng)時(shí)大多數(shù)化學(xué)家在玻爾的說服下接受了這個(gè)令人難以置信的概率宇宙：自然是不可預(yù)測的，世界上的一切都具有驚人的波粒二象性（波-）。
但阿爾伯特·愛因斯坦（ ）和德布羅意提出了反對意見。 愛因斯坦說：“上帝不擲骰子”； 世界是那樣“真實(shí)”的，光子、電子等一切物質(zhì)的粒子性和波動(dòng)性都一目了然。 他還提出了“導(dǎo)波”理論，即每個(gè)粒子都有確定性（非隨機(jī)）的軌跡或空間位置，由真實(shí)波函數(shù)（導(dǎo)波）引導(dǎo)——而 實(shí)驗(yàn)中促進(jìn)回調(diào)的波是相似的。
1929年美國化學(xué)家德布羅意。圖片來源：
1927年的索爾維會(huì)議（著名的國際數(shù)學(xué)物理研究會(huì)）上，許多杰出的化學(xué)家齊聚一堂，解釋量子熱的意義。 參加會(huì)議的沃爾夫?qū)づ堇≒auli）在會(huì)議上指出，導(dǎo)航波理論未能正確處理非彈性散射（ ）。 德布羅意未能給出導(dǎo)波背后的數(shù)學(xué)本質(zhì)，最終是玻爾的革命性理論獲勝。
78年后量子物理學(xué)中最有名的人物，導(dǎo)波理論幾乎被世人遺忘，突然間，庫德等人在倫敦發(fā)現(xiàn)的油滴彈跳現(xiàn)象，變成了德布羅意推測的“模擬系統(tǒng)”。
“彈跳油滴”與“雙縫干涉”
局勢再次逆轉(zhuǎn)。 自2015年以來，世界各地的研究人員進(jìn)行了一系列油滴彈跳的“雙縫實(shí)驗(yàn)”（-slit），結(jié)果表明庫德對類量子現(xiàn)象的驚人演示是錯(cuò)誤的，令一些化學(xué)家感到震驚。 夢。 有趣的是，推翻德布羅意理論的人不是別人，正是尼爾斯·玻爾的兒子托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）。
流體化學(xué)家托馬斯·玻爾和他的祖母尼爾斯·玻爾（量子化學(xué)的著名先驅(qū)）的照片。 圖片來源：
“當(dāng)時(shí)我非常想知道我們是否能夠得到一個(gè)明確的量子熱理論。” 考慮到他的家族史，他補(bǔ)充道：“也許出于責(zé)任感，我認(rèn)為我有義務(wù)見證最后的結(jié)果。”
在雙縫實(shí)驗(yàn)中，指向兩個(gè)狹縫的粒子穿過狹縫并被檢測屏幕檢測到。 單個(gè)粒子在檢測屏幕上的位置是隨機(jī)的，但如果有足夠多的粒子射向雙縫，就可以觀察到干涉白。 干涉白的出現(xiàn)表明了粒子的波動(dòng)性。 波會(huì)同時(shí)穿過兩個(gè)狹縫，形成的兩個(gè)波陣面會(huì)凝聚并相互干涉產(chǎn)生白色。 在探測畫面上，這些魔法概率波會(huì)在峰值處實(shí)體化，成為粒子實(shí)體。 但如果用另一個(gè)探測器來檢測顆粒穿過哪條狹縫，干涉白就會(huì)消失：顆粒會(huì)直接穿過某條狹縫，檢測屏幕上只會(huì)產(chǎn)生兩條白線。 。 就好像概率波（波函數(shù)）已經(jīng)崩潰了。 玻爾的理論很好地解釋了這個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。
化學(xué)家理查德·費(fèi)曼（ ）表示，雙縫實(shí)驗(yàn)“蘊(yùn)含了量子熱的本質(zhì)，隱藏了量子熱的終極定律”。
德布羅意認(rèn)為雙縫實(shí)驗(yàn)不需要用具體的波函數(shù)塌縮來解釋。 相反，他認(rèn)為粒子騎在真正的導(dǎo)波上。 雖然導(dǎo)頻波同時(shí)通過兩個(gè)狹縫，但粒子就像一個(gè)漂流瓶。 這樣，導(dǎo)頻波只穿過其中之一，然后出現(xiàn)在導(dǎo)頻波的波陣面相長干涉的地方。 但他從未真正推導(dǎo)出支持導(dǎo)波理論的動(dòng)力學(xué)多項(xiàng)式。
彈跳油滴實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)后，庫迪和伊曼紐爾·福特（Fort）很快開展了雙縫實(shí)驗(yàn)。 在記錄了75個(gè)彈跳油滴通過雙縫的軌跡后，他們聲稱在下落的油滴點(diǎn)處觀察到類似于干涉的白色，這顯然只能來自導(dǎo)波。 被認(rèn)為“無法用任何經(jīng)典理論解釋”的雙縫干涉，這次顯然發(fā)生在你??的眼皮底下。 他們的驚人成果發(fā)表在2006年的《物理評論快報(bào)》（ ）上。
麻省理工學(xué)院 (MIT) 的流體動(dòng)力學(xué)家約翰·布什 (John Bush) 團(tuán)隊(duì)對潛在的量子定律著迷，繼續(xù)尋找原因。 彈跳油滴的雙縫實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了，還有法國理工學(xué)院（of）的 Bohr和Anos （），以及內(nèi)布拉斯加州研究所（of）的量子化學(xué)家 （）團(tuán)隊(duì)。 搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，排除氣流的影響，讓油滴隨著導(dǎo)航波穿過雙縫后，三個(gè)小組都沒有觀測到庫代等人所說的干涉白。 油滴幾乎是直線穿過雙縫，沒有出現(xiàn)白色。 布什雙縫實(shí)驗(yàn)的精確結(jié)果于去年早些時(shí)候發(fā)表。
和豐田團(tuán)隊(duì)之前的錯(cuò)誤最終歸咎于噪音、錯(cuò)誤的方法和不充分的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
安德斯·阿諾德森 ( ) 是加拿大理工學(xué)院的流體動(dòng)力學(xué)家。 圖片來源：
德布羅意理論會(huì)被徹底推翻嗎？
“雙縫實(shí)驗(yàn)讓我有點(diǎn)沮喪，”巴斯學(xué)院物理科學(xué)系主任保羅·米勒夫斯基說。 但Bush和認(rèn)為，如果油浴表面振動(dòng)頻率等參數(shù)合適，其實(shí)加上必要的噪聲，還是有希望獲得導(dǎo)波的干涉白的。
在報(bào)告英國團(tuán)隊(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文中，托馬斯·玻爾提出了一個(gè)可以徹底推翻德布羅意導(dǎo)波理論的思想實(shí)驗(yàn)。
他設(shè)想在兩條狹縫的中央加一個(gè)子架子，粒子必須經(jīng)過子架子的某一左側(cè)才能到達(dá)狹縫。 在標(biāo)準(zhǔn)量子熱學(xué)中，子架子可以很長，波函數(shù)會(huì)同時(shí)穿過分光板的一側(cè)，穿過兩個(gè)狹縫形成干涉，因此子架子不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 但在德布羅意的設(shè)想和彈跳油滴的實(shí)驗(yàn)中，顆粒只能穿過架子的左側(cè)，而與穿過左側(cè)另一側(cè)的導(dǎo)波失去聯(lián)系。 一旦導(dǎo)頻波與顆粒或油滴失去接觸，其波前在到達(dá)狹縫之前就會(huì)消失，不會(huì)形成干涉現(xiàn)象。 英國研究人員通過計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了這一論點(diǎn)。
托馬斯·玻爾的思想實(shí)驗(yàn)。 圖片來源：
但布什說：“我不喜歡那些‘思想’實(shí)驗(yàn)。彈跳油滴實(shí)驗(yàn)的美妙之處在于你實(shí)際上可以做到。” 基本問題：在由粒子和導(dǎo)波的局域相互作用驅(qū)動(dòng)的量子現(xiàn)實(shí)中，諸如雙縫干涉之類的離域量子現(xiàn)象失去了必要的對稱性。 （編者注：在數(shù)學(xué)中，定域性原理認(rèn)為，某個(gè)特定的物體只能受到其周圍的力的影響；非定域性有時(shí)被稱為不確定性，而在量子熱學(xué)中，某個(gè)物體在其定義的范圍內(nèi)的屬性無法在更小的確定范圍內(nèi)確定的數(shù)學(xué)量稱為量子非定域性。）
托馬斯·玻爾說：“為了獲得真正的量子熱結(jié)果，粒子可能路徑的平衡非常重要”，但由于導(dǎo)波“一側(cè)攜帶粒子而另一側(cè)不攜帶粒子，所以兩側(cè)無法平衡” ，這打破了量子理論。熱力學(xué)中非常重要的對稱性。”
選擇這兩種理論中的一種只是偏好問題嗎？
20世紀(jì)70年代以來的糾纏光子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明量子熱一定是非局域的。 像德布羅意理論這樣的理論涉及粒子與其導(dǎo)波的局域相互作用，很難解釋非局域糾纏現(xiàn)象。
