由「導航波」引導的油滴未能重現量子雙縫實驗的結果，一個有著百年歷史的夢轟然破滅。如此，「具體現實」真的只有存在於夢中了。
文：Natalie Wolchover，2018年10月11日
2005年，一位在流體物理學家伊夫斯·庫代（Yves Couder）巴黎實驗室工作的學生偶然發現，當小油滴落在振動的油浴表面時，它會反彈起來。而且，當油滴反彈時，它會開始在液體表面上下跳動。拿庫代的話說，這些油滴是在「自己的波浪上衝浪」——在反彈時激起波浪，然後藉助波浪傾斜的波形獲得推力，四處遊走。
看著這些「衝浪」的水滴，庫代意識到，這不正是法國物理學家路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）構想出的量子世界嗎？一個早已提出、但基本已被遺忘的構想。
一個世紀以前，德布羅意拒絕放棄對「現實」的經典理解，儘管首次粒子實驗向大多數物理學家揭示，在量子尺度上，現實並不是看上去的那個樣子。當時，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）提出了量子力學的標準「哥本哈根解釋」，該解釋打破傳統，宣稱在量子尺度上，任何事物在被觀測之前都不是「真實的」。
一些板上釘釘的現實，比如粒子的位置，在被觀測前僅僅存在於概率當中，由一個展開的概率波定義，一旦我們對粒子進行了觀測，那個概率波就會神秘地坍縮成一個點，粒子會飛躍到此處，我們便看到了一個確定的現實。上世紀20年代，玻爾說服大多數同時代人接受了概率宇宙的奇異性、自然固有的模糊性以及萬事萬物令人費解的波粒二象性。
但有些物理學家並不認同這種觀點，阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）和德布羅意就在其列。愛因斯坦認為上帝不「擲骰子」；德布羅意則堅稱，量子尺度上的所有事物都是完全正常且真實存在的。他構想了一種量子理論，把光、電子和其他一切事物的波動性和粒子性都視為清晰明確的現象。他的「導航波」理論認為，粒子是具體實在的，始終擁有確定的位置，而且它們的運動是由真實存在的導航波引導，就像庫代實驗中波浪推動著不斷彈跳的油滴遊走一樣。
法國物理學家路易斯·德布羅意，攝於1929年。
然而，德布羅意無法確定導航波的物理性質，而且他也難於將自己的描述擴展到一個粒子以上。在著名的1927年索爾維會議上，一群傑出的科學家聚在一起，討論量子力學的意義，而玻爾更為激進的觀點獲得了大家的認可。
78年過後，當巴黎實驗室裡的油滴開始彈跳時，德布羅意用以描述量子世界的導航波理論已幾乎被人遺忘。突然之間，庫代及其同事擁有了一個「模擬系統」，得以對德布羅意的構想進行實驗性地探索。
他們清楚地看到油滴表現出令人驚奇的量子式行為，比如，這些油滴只會穿過繞著油浴中心的特定「量子化」軌道，有時則會在軌道之間隨機跳躍，就像原子中的電子一樣。麻省理工學院和其他地方的實驗室很快也進行了彈跳油滴實驗，一些人聲稱，他們看到了油滴隧穿障礙物的現象，而且，油滴還表現出了此前被認為只屬於量子世界的其他行為。在沒有任何神秘事件發生的情況下就再現了量子現象，彈跳油滴實驗不禁讓一些物理學家重燃起德布羅意的舊夢，即把量子尺度的現實描述為由導航波和粒子組成，而非概率波和難解之謎。
然而，自2015年以來一系列有關彈跳油滴的研究成果粉碎了這一美夢。這些研究表明，庫代2006年完成的最令人震驚的類量子現象演示出了錯。流體動力學家保羅·米萊夫斯基（Paul Milewski）表示，「正是這個實驗讓我迷上了這個問題。」在對這個所謂的「雙縫實驗」進行重複驗證時，研究人員得到的結果與庫代的初始結果是矛盾的，而且他們還表明，雙縫實驗恰好能夠證偽彈跳油滴模擬系統和德布羅意的導航波量子力學理論。
丹麥技術大學流體物理學家託馬斯·玻爾，身後的照片是他的祖父、量子力學先驅尼爾斯·玻爾。
令人想不到的是，徹底推翻德布羅意理論的不是別人，正是尼爾斯·玻爾的孫子、流體物理學家託馬斯·玻爾（Tomas Bohr）。
託馬斯是丹麥技術大學的教授，他小時候就喜歡思考祖父提出的謎題。七年前，託馬斯聽說了庫代的彈跳油滴實驗，立刻產生了興趣。「我真的想看看會不會有一種確定的量子力學。」他在談到自己為何涉足這一領域時說。考慮到他的家族歷史，託馬斯補充道，「或許我還感覺自己肩負著一些責任，我覺得自己真的應該去研究一下它是不是真的。」
物理學家理察·費曼（Richard Feynman）說，雙縫實驗「不可能、絕不可能以任何經典方式解釋」，他說，雙縫實驗「蘊含著量子力學的核心。其實，它蘊含了量子力學的唯一奧秘。」
量子力學的雙縫實驗是什麼？中國科技大學教授陸朝陽曾經在一場造就演講中做過生動的解釋。點擊圖片觀看完整演講。
闡釋雙縫實驗時，哥本哈根學派會援引量子的不確定性原理。他們辯稱，一顆粒子的軌跡無法確知，因此，它僅通過波函數的概率來詮釋。粒子先是像波一樣，同時穿過兩個縫隙，並在屏障另一邊發生幹涉，繼而，由於傳感器的存在，代表粒子可能落點的波函數就出現了「坍縮」。也就是說，傳感器從眾多可能性中，選出了單一的「現實」。其中涉及很多問題，既有科學的，也有哲學的；面對問題，尼爾斯·玻爾喜歡提出更多的問題作為回應。
對德布羅意而言，要解釋雙縫實驗，不一定要用到抽象而神秘的波函數坍縮。他設想了一種實在的粒子，凌駕於一種實在的導航波之上。雖然導航波會同時穿過雙縫，但粒子就像一根浮木，從其中一條縫隙穿出。到了另一邊，導航波相長幹涉的地方，就是粒子出現的地方，而導航波相消幹涉的地方，就是粒子不會出現的地方。德布羅意始終沒有推導出動力學方程，來描述波-粒-雙縫之間錯綜複雜的相互作用。
但庫代和協作者伊曼紐爾·弗爾特（Emmanuel Fort）立刻著手使用彈跳的油滴開展了一項雙縫試驗，並在2006年的《物理評論快報》中報告了震驚世人的結果。
庫代與弗爾特觀測了75個彈跳的油滴，讓它們通過雙縫屏障，並記錄下了相應的軌跡。庫代和弗爾特認為，在油滴的最後落點中，他們探測到了大致的條紋——一種類似幹涉的紋理；而這似乎只可能來自導航波。雙縫幹涉，這種被認為「不可能以任何經典方式解釋」的現象，就當著大家的面發生了，毫無神秘性可言。
考慮到這對量子力學的潛在影響，流體動力學家約翰·布希（John Bush）在麻省理工學院設立了彈跳油滴實驗室，並引領他人進入了這一領域。2011年，託馬斯·玻爾聽庫代談論了他的結果，後又圍繞這些實驗，與布希進行了長時間的探討。他與同事、實驗物理學家安德爾斯·安德森（Anders Andersen）組隊，對油滴展開深入研究。「我們對雙縫實驗著了迷。」安德森說。
丹麥技術大學流體動力學家安德爾斯·安德森。他牽頭的一項實驗證明，導航波導引下的彈跳油滴不會產生雙縫幹涉。
玻爾和安德森的丹麥團隊、布希的麻省理工學院團隊，以及量子物理學家赫爾曼·貝特蘭（Herman Batelaan）在內布拉斯加大學的團隊，三個團隊各自行動，試圖複製彈跳油滴的雙縫實驗。他們完善了實驗設置，去除了所有的氣流，並讓油滴乘著導航波，向雙縫進發，但沒有一支團隊看到類似幹涉的紋理。油滴幾乎直線穿過雙縫，並未產生條紋。庫代和弗爾特的謬誤被歸咎於噪音、方法缺陷，以及數據不充分。
「於我而言，雙縫實驗挺讓人失望的。」現任巴斯大學數學系主任的米萊夫斯基說。
今年早些時候，布希發表了詳細的雙縫研究結果，未找到任何幹涉跡象，但他依然認為，要是能找到適當的參數組合，導航波仍有可能生成幹涉條紋。這或許是要調整油浴的振動頻率，或是增加必不可少的噪音。米萊夫斯基也有同樣的期望。不過，丹麥團隊在論文中除了闡明他們未發現雙縫幹涉結果，還提出了一項思想實驗。而這項思想實驗，似乎徹底擊垮了德布羅意的導航波設想。
在這個思想實驗版雙縫實驗中，粒子在抵達雙縫屏障之前，先要經過一堵隔牆。粒子必須從牆的其中一邊經過。在標準量子力學中，這堵牆再長，都不會有任何影響，因為，代表粒子可能路徑的波函數會同時經過牆的兩邊，同時穿過雙縫，並發生幹涉。但在德布羅意的設想中，以及在彈跳油滴實驗中，粒子作為驅使這一切的力量，只能從牆的一邊經過，與牆另一邊的導航波失去聯繫。失去了粒子或油滴的維繫，波前沒來得及抵達狹縫，就已經渙散了，因此，也不會有幹涉條紋。丹麥團隊還通過計算機模擬，驗證了這一觀點。
託馬斯·玻爾修改了著名的雙縫實驗，粒子在抵達雙縫屏障之前，先要經過一堵隔牆，粒子必須從牆的其中一邊經過。按照量子力學的預測，對於最後的雙縫幹涉條紋，這堵牆不會產生影響。然而，按照導航波理論，這堵牆會阻止幹涉的發生。
至於為什麼繼續研究彈跳油滴，布希是這樣解釋的：「我一直都不看好思想實驗。油滴實驗的好處就在於，這個實驗是可以操作的。」然而，加了隔牆的思想實驗用簡單明了的形式，凸顯出德布羅意概念的內在問題。若「量子現實」源於粒子與導航波的局域互動，那麼，量子的對稱性就蕩然無存，雙縫幹涉等非定域量子現象也就無從談起。我們得有一個空靈的、非定域的波函數，能在任何牆的任意一邊無障礙傳播。「要獲得真正的量子力學結果，粒子的路徑可能是帶有平權（democratic）屬性的，這一點十分重要。」託馬斯·玻爾說。但依照導航波設想，「在這些實驗中，導航波的一邊載有粒子，另一邊不載粒子，你永遠也得不到你想要的結果。你打破了量子力學中極為重要的對稱性。」
專家們指出，德布羅意的理論，其最簡單的版本必然是錯的。在描述由相應導航波引導的粒子時，德布羅意沒有解釋多個相互作用的粒子如何「糾纏」，也沒有用一個簡單的、聯合的、非定域的波函數來加以定義（由於存在這種函數關係，粒子之間即便遠隔數光年，它們的屬性仍然相關）。
20世紀70年代以來，人們對糾纏光子的實驗證明，量子力學肯定是非定域的。如果從一個粒子增加到兩個粒子，把非定域糾纏納入考慮，那麼粒子及其導航波之間的定域性相互作用理論就會變得更加古怪，德布羅意的理論就是如此。
在家中的一塊黑板前，尼爾斯·玻爾看著兒子奧格·玻爾運算公式，他的孫子託馬斯·玻爾悄悄湊了過來。
直到1987年去世前，德布羅意一直對有關非定域性和糾纏的觀點心存懷疑。他始終認為，真正的導航波會以某種方式，導致必然的遠距離聯繫。這個怪異的觀點可能會頑固地存留至今，也得到了某些彈跳油滴實驗者的擁護，但就單粒子而言，導航波連雙縫幹涉都無法形成，因此這一觀點像一個被仔細審查的波函數一樣，轟然坍塌了。
早些時候，德布羅意確實針對自己的理論提出過一個折中版本，物理學家戴維·玻姆（David Bohm）在1952年再次加以詮釋，現在稱為玻姆力學或者德布羅意-玻姆理論。該理論認為，有一個貫穿空間的抽象波函數（和哥本哈根解釋中的波函數一樣顯得高深莫測），空間中存在真實的粒子。20世紀70年代的證據顯示，德布羅意-玻姆理論和標準量子力學作出了完全相同的預測。
然而，考慮到經典現實的一個元素（有形粒子），新的問題出現了。比如，在空間中無處不在的數學波函數是如何在某些地方跟實體粒子產生聯繫的？為什麼會這樣？「從那個角度來看，量子力學仍然顯得十分奇怪。」託馬斯·玻爾說。大多數物理學家持相同看法，但這其實只是個人偏好問題，因為實驗性預測是相同的。
尼爾斯·玻爾斷定，如果從量子層面看，大自然將顯得奇怪至極。
託馬斯·玻爾認為，祖父之所以這麼想，是因為他最重要的物理學研究：他在1913年對氫原子電子能級的計算。玻爾發現，電子在軌道之間躍遷時，會釋放量子化的光包，沒有哪種力學理論能合理地解釋這一現象。他無法把電子的能級與電子的旋轉運動聯繫起來。就連因果關係都說不通，因為在躍遷之前，電子似乎就知道它們將落在哪裡，從而發出能量合適的光子。「他也許比大多數人更明白，整件事有多麼奇怪。」託馬斯·玻爾說，「只不過，他思想上有準備，他知道自然有可能就是這麼奇怪，相比之下，大多數人並沒有做好準備。」
過去幾年，託馬斯常常在想，祖父會如何看待彈跳油滴實驗。「我覺得他會非常感興趣。」他笑著說道，「他可能會比我更快地釐清自己的想法。他會認為這十分巧妙，因為你可以生成這樣一個系統，它和德布羅意所說的東西竟然如此接近。」
翻譯 | 雁行 何無魚 于波；校對 | Lily
來源 | Quanta Magazine
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