由「導波（pilot waves）」引導的油滴未能重現量子雙縫實驗，粉碎了量子單一、具體存在的百年夢想。2005年巴黎流體物理學家伊夫·庫德實驗室的一名學生偶然發現，當微小油滴落在振動的油浴表面時，油滴會發生反彈。此外當液滴反彈時，開始在液體表面蹦蹦跳跳。庫德很快發現這些水滴「在自己的波浪上衝浪」，用他的話來說，它們彈跳時會踢起波浪，然後被波浪傾斜的輪廓推動。當庫德看著飛濺的油滴時，他意識到這恰恰符合了法國物理學家路易斯·德布羅意設計的量子世界的早期景象，這種景象在很大程度上已經被遺忘。
博科園-科學科普：一個世紀前德布羅意拒絕放棄對現實的古典理解，儘管第一次粒子實驗向大多數物理學家表明，在量子尺度上，現實並不像看上去的那樣。量子力學標準「哥本哈根解釋」由丹麥物理學家尼爾斯玻爾提出，他打破了過去的說法，宣稱在量子尺度上的任何東西在被觀測到之前都不真實。表面上的事實就像粒子位置一樣，只是偶然事件，由擴散的概率波定義，直到測量那一刻，當波神秘地坍縮成點，粒子跳躍，單一現實出現。在20世紀20年代，玻爾說服了大多數同時代人去接受概率宇宙的不可思議，自然的固有模糊性，以及令人費解的波粒二象性，但是一些物理學家持反對意見，愛因斯坦和德布羅意就是其中之一。
德布羅意堅稱量子尺度上的一切都完全正常，他設計了量子方面的實驗，將波和粒子方面的光、電子和其他一切都視為完全有形。先「導波」理論設想粒子總有確定位置，通過真實的先導波引導進入空間，很像推動庫德反射油滴的波。然而德布羅意無法確定導波的物理性質，於是努力將描述擴展到多個粒子。1927年在著名的索爾維會議上，一群傑出人士聚在一起討論量子力學的意義，玻爾取得了勝利。78年後德布羅意對量子世界的第一波設想幾乎不為人所知，當時巴黎的油滴開始反彈。突然庫德和他的同事們設計出「模擬系統」，可以實驗性地探索德布羅意的想法。
法國物理學家路易斯·德布羅意於1929年去世。圖片：Unknown
發現液滴表現出了令人驚訝的量子性質，例如它們只是沿著特定的「量子化」軌道繞著液體槽中心移動，有時會像原子中的電子那樣在軌道之間隨意跳躍。麻省理工學院和其他地方很快湧現出彈跳液滴實驗室，人們看到液滴穿過障礙物，進行獨一無二的量子行為。在不帶任何神秘色彩的情況下再現量子現象的過程中，彈著點實驗重新點燃了一些物理學家對德布羅意夢想的研究，即量子尺度上的現實由導波和粒子組成，而不是由概率波和謎題組成。但自2015年以來一系列的彈跳油滴發現粉碎了這個夢想。
丹麥技術大學流體物理學家託馬斯·玻爾與他的祖父、著名的量子力學先驅尼爾斯·玻爾合影留念。圖片：Niels Busch for Quanta Magazine
流體動力學家保羅米利夫斯基表示：「讓我著迷於的實驗是錯誤的」。被稱為「雙縫實驗」的重複運行與庫德最初結果相矛盾，並揭示了雙縫實驗是彈跳液滴類比和量子力學的導波斷裂點。託馬斯·玻爾是丹麥技術大學的一名教授，他從小就喜歡鑽研祖父提出的謎語。七年前聽聞庫德的彈跳液滴實驗，立刻就被激發了興趣。表示真的對它很感興趣，想看看通過實驗是否真的能得到確定性的量子力學，考慮到我的家族關係，我覺得自己也有義務去做這件事。
1、量子力學的核心
物理學家理察·費曼稱雙縫實驗絕不可能以任何經典的方式來解釋，並表示它具有量子力學的核心，事實上它包含著獨一無二的奧秘。在實驗中，粒子被射向阻擋層中的兩個縫隙，而通過縫隙擊中了遠處另一邊的傳感器。任何一個粒子的最終位置讓人十分驚訝，但如果把許多粒子射向裂縫，就會看到條紋在它們被探測到的位置出現，表明它們能去的地方和不能去的地方十分明顯。條狀圖案表明，每個粒子實際上都是一個波，當遇到被撕裂的阻擋層，並同時通過兩個狹縫，產生兩個會聚和幹擾的波陣面，在某些地方形成波峰，在兩者之間相互抵消，每個粒子都會在這個奇怪的概率波波峰位置出現在傳感器中。
更奇怪的是當添加第二個傳感器並檢測每個粒子通過的是哪個縫隙時，幹涉條紋就消失了，這一次粒子直接通過它們選擇的縫隙到達遠端傳感器上的兩個點。為了解釋雙縫實驗，一個哥本哈根科學家將會指出量子的不確定性，他認為每個粒子的軌跡都無法精確了解，因此只能通過波函數概率來定義。在穿過這兩條縫隙並幹擾另一邊之後，代表粒子可能位置的波函數就會被傳感器「摺疊」，傳感器會從各種可能性中選擇一個單一現實。科學和哲學問題比比皆是；尼爾斯波爾傾向於用更多的問題來回答問題，他對此表示贊同。對於德布羅意來說，雙縫實驗不需要抽象、神秘的摺疊波函數。
相反他設想了一個真正的粒子漂浮在導波上。粒子像浮木一樣穿過雙縫屏幕上的一個縫或另一個縫，就像導波穿過這兩個縫一樣。另一方面，粒子會到達導波的兩個波陣面相互幹擾的地方，而不會到達它們相互抵消的地方。德布羅意實際上從未推導出動力學方程來描述複雜的波粒-縫相互作用。但是當庫德和伊曼紐爾·福特手裡拿著彈跳的夜滴時，他們迅速地進行了這個雙縫實驗，並在2006年的《物理評論快報》上報告了結果。在記錄了75個水滴通過雙縫屏障的彈跳軌跡後，庫德和福特認為他們在水滴的最終位置發現了粗糙的條紋——類似於幹涉模式，似乎只能來自於先導波。
雙縫幹涉，被認為無法用任何經典方式解釋。被潛在的量子含義吸引，流體動力學家約翰·布希在麻省理工學院建立了彈跳液滴實驗室，並帶領其他人找到了原因。託馬斯·玻爾在2011年聽到庫德談論他的研究結果，後來又與布希詳細討論了這些實驗。波爾和安徒生在丹麥的團隊，布希在麻省理工學院的團隊，以及內布拉斯加大學量子物理學家赫爾曼·貝特蘭領導的團隊，都開始重複彈滴雙縫實驗。在完善實驗設置，排除了氣流，讓油滴在導波上彈向兩個狹縫後，沒有一個小組看到庫德和福特報告的類似幹擾模式，水滴幾乎是直線穿過縫隙，沒有條紋出現。
丹麥技術大學的流體動力學家安德斯安德森領導了一項實驗，該實驗揭示了在導波引導下彈跳的油滴不會產生雙縫幹涉。圖片：Niels Busch for Quanta Magazine
巴斯大學數學系系主任米利夫斯基說：對於我來說，雙縫實驗有點令人失望。布希在今年早些時候發表的研究顯示，雙縫幹涉研究沒有表現出絲毫幹擾，但他仍然認為當找到合適的參數組合時，用導波產生幹擾圖或許可行，米利夫斯基也有同樣希望。然而在丹麥小組報告零雙縫結果的論文中，託馬斯·玻爾提出了一個思想實驗，似乎完全推翻了德布羅意的導波圖。在假想的雙縫實驗的「格丹肯」版本中，粒子在到達裂隙阻擋層之前，必須經過一個或另一個中央分隔牆。在標準量子力學中，這道牆十分長，但這並不重要，代表粒子可能路徑的波函數會繞著這道牆走兩條路，穿過兩條縫，並產生幹擾。
託馬斯·玻爾在著名的雙縫實驗上的變化考慮，如果一個粒子在穿過其中一個縫隙前必須走到中央隔牆的一邊或另一邊會發生什麼，量子力學預測，這堵牆不會對產生的雙縫幹涉圖樣產生影響。然而導波理論預測，這堵牆將阻止幹擾的產生。圖片：Niels Busch for Quanta Magazine
在德布羅意的描述中，以及在彈射液滴實驗中，整個過程的驅動力——粒子只能向一個方向運動。沒有粒子或液滴的支持，波陣面在到達狹縫之前就消散了，而且沒有生成幹涉圖樣，丹麥研究人員用計算機模擬驗證了這些論點。在解釋他繼續進行飛沫實驗的決定時，這種情況的益處在於可以做實驗。但分界牆思想實驗以極其簡單的形式突出了德布羅意思想的內在問題。在由粒子和導波局部間的相互作用驅動的量子現實中，失去了產生雙縫幹涉和其他非局部量子現象所必需的對稱性。為了得到真正的量子力學結果，以民主的方式進入粒子可能路徑非常重要，但是對於導波，因為一邊攜帶粒子，而另一邊不攜帶粒子，你永遠不會得到真正的結果。
2、事件問題
有專家指出德布羅意理論註定會失敗，在描述由相應導波引導的單個粒子時，德布羅意沒有解釋多個相互作用的粒子如何糾纏在一起，也沒有解釋一個單一、聯合、非局域的波函數如何定義它們的特性，即使這些粒子已經相隔數光年。從20世紀70年代開始的糾纏光子實驗證明量子力學必須非局域。像德布羅意這樣的粒子和導波之間的局部相互作用理論需要從一個粒子跳到兩個粒子才能解釋非局部糾纏。到1987年去世之前德布羅意一直質疑關於非定域性和糾纏性的爭論，並堅信真正的導波可能會以某種方式激起必要的長距離連接。
但在單粒子情況下，導波甚至不能產生雙縫幹涉，這個夢最終還是破碎了。早期德布羅意的確妥協過，他的理論在1952年被物理學家大衛·玻姆再次提出，現在被稱為波米力學或德布羅意玻姆理論。20世紀70年代的證據表明，德布羅意玻姆理論與標準量子力學的預測完全一致。然而隨著經典現實的恢復，新的謎團出現了，比如在空間中無處不在的數學波函數是如何或者為什麼會在某些地方被固定在物理粒子上的。從這個角度看，量子力學也同樣怪異，大多數物理學家都同意這一觀點，但這實際上只是各自看法品味不同。
圖片：Life Magazine circa 1958; courtesy of the Niels Bohr Archive
託馬斯·玻爾將祖父關於自然界在量子尺度上怪異的確定性歸因於尼爾斯·玻爾最重要的物理學研究：1913年對氫原子電子能級的計算。玻爾意識到，當電子在軌道之間跳躍，釋放出量子化光包時這種情況並沒有機械解釋，無法將電子能級與旋轉運動聯繫起來。可能比大多數人更清楚整個事情有多奇怪，只是在某種程度上具有哲學傾向，以至於他願意接受大自然如此奇怪的事實，而大多數人並非如此。在過去幾年裡，託馬斯經常想知道祖父對彈跳液滴實驗的看法，可能會比我更快的了解提出者想法。
博科園-科學科普｜文：Natalie Wolchover/Quanta magazine/Quanta Newsletter博科園-傳遞宇宙科學之美