中子在经典无法解释的路径上量子理论在Leggett-Garg不等式测试中占上风

大自然真的像量子理论所说的那样奇特吗?还是有更简单的解释?维也纳技术大学的中子测量证明，如果没有量子理论的奇特性质，它就无法成立。

一个粒子能同时出现在两个不同的地方吗?在量子物理学中，这是可以的：量子理论允许物体同时处于不同的状态——或者更准确地说：处于叠加状态，将不同的可观察状态结合在一起。但事实真的如此吗?也许粒子实际上处于非常特定的状态，在非常特定的位置，但我们只是不知道?

几十年来，人们一直在讨论量子物体的行为是否可以用一种简单、更经典的理论来描述。1985年，人们提出了一种测量方法：所谓的“Leggett-Garg不等式”。任何描述我们这个世界的理论，只要没有量子理论的奇异叠加态，就必须遵循这个不等式。

而量子理论却违背了这一原理。维也纳技术大学首次利用中子测量来检验这一“莱格特-加格不等式”，结果非常明确：莱格特-加格不等式被违背，经典解释无法成立，量子理论胜出。该结果现已发表在《物理评论快报》上。

物理现实主义

我们通常假设每个物体都具有某些属性：球位于特定位置，具有特定速度，或许还具有特定旋转。我们是否观察球并不重要。球具有这些属性非常客观，并且独立于我们。“这种观点被称为‘现实主义’，”维也纳技术大学原子研究所的StephanSponar说。

我们从日常经验中知道，大型宏观物体尤其必须遵守这一规则。我们还知道，宏观物体可以被观察到而不会受到很大影响。测量不会从根本上改变状态。这些假设统称为“宏观现实主义”。

然而，我们今天所知的量子理论是一种违背宏观现实主义的理论。如果量子粒子可能处于不同的状态，例如不同的位置、速度或能量值，那么这些状态的任意组合也是可能的。至少只要这种状态没有被测量。在测量过程中，叠加态被破坏：测量迫使粒子决定支持其中一个可能的值。

Leggett-Garg不等式

然而，量子世界必须与宏观世界有逻辑上的联系——毕竟，大的东西是由小的量子粒子组成的。原则上，量子理论的规则应该适用于一切。

那么问题来了：我们有可能观察到“大”物体中的行为，而这些行为与我们对宏观现实的直观印象无法调和?宏观事物是否也能显示出量子特性的明显迹象?

1985年，物理学家AnthonyJamesLeggett和AnupamGarg发表了一个可以检验宏观现实主义的公式：Leggett-Garg不等式。

“其背后的想法类似于更著名的贝尔不等式，该不等式于2022年获得了诺贝尔物理学奖，”该论文的第一作者伊丽莎白·克鲁兹格鲁伯(ElisabethKreuzgruber)说。

“然而，贝尔不等式讨论的是粒子的行为与另一个量子纠缠粒子之间的关联强度。莱格特-加格不等式只涉及一个单一的物体，并提出了一个问题：它在特定时间点的状态与同一物体在其他特定时间点的状态有何关联?”

比经典物理学允许的更强的相关性

Leggett和Garg假设一个物体可以在三个不同的时间点进行测量，每次测量可以得到两个不同的结果。即使我们对这个物体的状态是否或如何随时间变化一无所知，我们仍然可以统计分析不同时间点的结果之间的相关性有多强。

数学上可以证明，这些相关性的强度永远不会超过某个水平——假设宏观现实主义是正确的。莱格特和加格能够建立一个不等式，每个宏观现实主义理论都必须满足这个不等式，无论该理论的任何细节如何。

然而，如果物体遵循量子理论的规则，那么在三个不同时间点的测量结果之间必须存在明显更强的统计相关性。如果物体在测量时间之间实际上处于不同的状态，那么根据Leggett和Garg的说法，这必须导致三次测量之间的相关性更强。

中子束：厘米大小的量子物体

“然而，通过实验研究这个问题并不容易，”理查德·瓦格纳说。“如果我们想测试宏观现实主义，那么我们需要一个在某种意义上是宏观的物体，即其尺寸与我们日常使用的物体相当。”但与此同时，它必须是一个有机会仍然表现出量子特性的物体。

“我们在中子干涉仪中使用的中子束非常适合这项实验，”负责该实验的格勒诺布尔劳厄-朗之万研究所(ILL)S18仪器的仪器负责人HartmutLemmel说。

在中子干涉仪中，一种硅完美晶体干涉仪于20世纪70年代初首次在维也纳技术大学原子研究所成功使用，入射中子束在第一块晶体板上被分成两束，然后由另一块硅重新组合。因此，中子可以通过两种不同的方式从源传播到探测器。

“量子理论认为，每个中子都会同时沿两条路径行进，”尼尔斯·吉里茨说。“然而，两束部分光束相距几厘米。从某种意义上说，我们面对的是一个按量子标准来说巨大的量子物体。”

通过多种中子测量的复杂组合，维也纳技术大学的团队能够测试Leggett-Garg不等式，结果很明显：该不等式被违反。

中子的行为方式无法用任何可以想象的宏观现实理论来解释。它们实际上同时在两条路径上行进，同时位于相距几厘米的不同位置。因此，“中子可能只在两条路径中的一条上行进，我们只是不知道是哪一条”的想法被驳斥了。

“我们的实验表明：自然确实如量子理论所声称的那样奇特，”斯蒂芬·斯波纳说。“无论你提出哪种经典的、宏观现实的理论：它都永远无法解释现实。没有量子物理，它就行不通。”

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