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量子力学的核心问题——测量问题是否已经解决？

刘彦刚

2018/08/20

仪器检定/校准/计量

量子力学的核心问题——测量问题是否已经解决？
在我们的印象中，神秘的量子力学似乎很难与肉眼观测联系起来，更不用说是普通的大学物理实验了。然而，一群科学家正尝试通过双缝干涉实验，让观测者用肉眼验证量子叠加态。更令人激动的是，他们的实验还可能为量子力学的一个核心问题——测量问题找出答案。
Paul Kwiat要求志愿者们坐在一间黑暗的小屋里。在他们的眼睛逐渐适应黑暗环境时，每一位志愿者就像验光时一样，将头支撑在一个支架上，用一只眼睛盯着一个很暗的红十字看。在十字的两边各有一根光纤，可以将单个光子从十字左边或右边射入志愿者的眼中。
Kwiat是伊利诺伊大学香槟分校的实验量子物理学家，在验证了人眼探测单个光子的能力后，他和同事有着更高的目标：根据他们上个月在预印本网站arXiv上提交的论文，他们想要用人眼去验证量子力学的基本假设。
他们并不是简单地将一个光子通过左边或者右边的光纤送入志愿者眼中，而是输送一个同时处于左边和右边的量子叠加态的光子。人们会看到什么不一样的现象吗？根据标准量子力学，答案应该是“不能”。但迄今为止，还没有人做过这类测试。如果Kwiat团队的最终结果和理论预言不同，就会动摇我们对量子世界的现有理解，人们也将尝试通过一些其他理论来解释量子力学。这些理论对自然的看法与现有的完全不同，它们预言现实的存在与观测行为和观测者无关。如果成立，我们对量子力学的现有解释将被彻底推翻。Rebecca Holmes是Kwiat以前的学生，现在在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作，他设计了这套实验装置。他说：“这可能成为超出标准量子力学的现象存在的证据。”
为了探究人眼是否能直接观测到单个光子，近一个世纪的物理学家做了大量努力。1941年，哥伦比亚大学的研究人员在Science上发文称，即使一束光中只有五个光子落在视网膜上，人眼也能看到。30多年后，当时在加州大学伯克利分校的生物物理学家Barbara Sakitt通过实验似乎验证了人眼可以看见单个光子。不过，这些实验远远不能给出确定的结果。Holmes说：“这些实验的问题在于它们都试图使用‘经典’光源”，但我们无法确定经典光源发出的到底是不是单个光子。也就是说，我们甚至不能保证那些早期实验都只用了单个光子。
直到2012年，人们有了确凿的证据，发现青蛙眼中的光感受器，或称视杆细胞，可以探测到单个光子。新加坡科技研究局的Leonid Krivitsky和同事从成年青蛙的眼中提取了视杆细胞，随后通过实验证实这些细胞对单个光子有反应。Kwiat说，现在“毫无疑问单个光感受器是可以对单个光子有反应的。”不过，这并不意味着视杆细胞在活体青蛙或者人体中有着相同的效果。因此，Kwiat和他在伊利诺伊的同事Anthony Leggett等人开始计划用单光子光源测试人类的视觉。很快，Kwiat团队开始了实验。现在，Holmes也加入了团队，负责实验操控。但是“我们当时失败了。”Holmes说。
2016年，当时在维也纳大学的生物物理学家Alipasha Vaziri领导的研究团队报告称，他们用单光子光源证实了“人眼可以探测到单光子事件，而且探测到的概率很高，这显然不是巧合。”

双缝实验解决测量问题？
Kwiat团队对这个结果有些怀疑，他们想要用更多志愿者、做更多实验以提高数据的确信度。他们担心的核心问题是眼睛探测光子时的低效。入射光子必须首先经过眼球最外面一层透明的角膜，这会反射掉一部分光。接下来光子进入晶状体，晶状体和角膜共同将光汇聚在眼球后部的视网膜上。而在视网膜和晶状体之间，凝胶状的玻璃体也会吸收或散射光子。最终，抵达角膜的光子中，只有不到10%能出现在视网膜上的视杆细胞中，进而产生神经信号，神经信号传送到大脑就形成了视觉。所以，得到可以在统计学上排除偶然性的显著性差异，是一项令人生畏的挑战。Kwiat说：“我们希望在未来六个月得到确定的答案。”
这并没有使他们停止设计新的实验。在标准设计中，一面半涂银面镜会让光子进入左边或右边的光纤，然后落在左眼或右眼的视网膜上，志愿者就会敲击键盘来表示他们看到的方向。但是，研究者也可以很容易地利用量子光学技术制造出叠加态的光子，使其同时进入两条光纤，然后同时出现在左右双眼的视网膜上。接下来光子到底发生了什么，取决于你相信光子发生了什么。
物理学家用一种叫做波函数的数学抽象概念来描述光子的量子态。在叠加态的光子打在视网膜上之前，波函数会弥散出去，这时光子在左边和右边被发现的概率相同。光子和视觉系统的作用是一种观测，而人们认为观测会使波函数“坍缩”，于是光子最终会处于其中任意一边，就像抛出去的硬币最终朝上的会是正反面中的任意一面。当人眼接收到叠加态的光子时，出现在左右两侧的光子数目会有差异吗？Kwiat说：“如果你相信量子力学，那就没什么区别。”但是如果他们的实验发现了无法驳斥的显著性差异，那就说明量子力学一定存在什么问题。他补充说：“这将会是一个大发现，一个惊天动地的结果。”
这样的结果预示着人们可能会解决量子力学的一个核心问题：测量问题。假如波函数真的因为测量而坍缩，量子力学理论并没有表明这种坍缩是如何发生的。测量的仪器应该有多大？以眼睛为例，一个视杆细胞够大吗？还是需要整个视网膜？又是否需要角膜？是否需要有一个有意识的观测者呢？
坍缩与观测
一些候选理论通过使坍缩完全独立于观测者和测量仪器，来解决这个潜在问题。例如“GRW”坍缩模型（以理论物理学家Giancarlo Ghirardi，Alberto Rimini和Tullio Weber命名）。GRW模型及其变型都假设波函数是自发坍缩的。处于叠加态的物体质量越大，坍缩就越快。这个理论的结果之一是，单个粒子可以无限长时间地处于叠加态，但是宏观物体就不行。所以，在GRW理论中，著名的薛定谔的猫是无法处于活与死的叠加态的。像GRW这样的理论被称为“无关观测者”的现实模型。
如果像GRW这样的理论对自然的描述是正确的，我们这一个世纪以来想要证明的想法就完全错了。我们一直都认为观测和测量是构成现实世界的中心要素。关键是，当处于叠加态的光子落在视网膜上时，GRW理论预言的两边的光子计数将和标准量子力学存在一些细微的差别。这是因为在光子的传输过程中会和不同大小的系统发生作用，比如两个视杆细胞中的两个感光蛋白是一个系统，两个视杆细胞及相应神经的组合又是一个系统，光子在和这两个系统作用时会表现出不同的自发坍缩速率。尽管Kwiat和Holmes都强调在他们的实验中不太可能会看到什么不同，但他们也承认，如果发现了任何与经典理论的差别，就可能预示着GRW这类理论是正确的。
Michael Hall是澳大利亚国立大学的理论量子物理学家，他并没有参与这项研究。Michael同意GRW预言的光子计数和经典理论会出现很小的差别，但是他说这样的差别太小，已经提出的实验是无法探测到的。然而，他认为光子计数上任何的异常现象都值得关注。他说：“这很值得认真思考。我觉得这种偏差出现的概率极小，但是还是有可能。这非常有意思。”
Kwiat也想了解量子态和经典态的主观感知差异。他问道：“人在直接观测量子事件时会感受到差异吗？答案‘很可能不会’，但是我们确实不知道。你永远得不到答案，除非你为人的视觉系统建立一个量子力学级别的完备模型，或者，通过实验进行观测。我们无法建立这样的模型，所以就只能去做实验了。”
Robert Prevedel在2016年是Vaziri研究团队中的一员，现在在德国的欧洲分子生物学实验室工作。他更感兴趣的是在一系列事件中找出波函数坍缩的具体位置。坍缩是发生在最初光子打到视杆细胞上时？还是在神经信号产生和传递的中间过程中出现？或者是最后信号使人产生视觉时？他提议将视网膜提取出来，再向其发射处于叠加态的光子，记录不同阶段的视觉处理过程（比如记录视杆细胞，或是组成视网膜的其他感光细胞的信息）来看看叠加态到底持续多久。
Prevedel认为视杆细胞对光的吸收会使得叠加态消失。但是他说：“如果我们看到量子（叠加态）存在于光子接触视杆细胞后的任何一个阶段，不论是在视网膜内不同细胞层中，还是在之后的神经回路中，都将是真正的突破。这将是一个非常惊人的发现。”
还有一个大家常常故意视而不见的问题：人类的意识。意识能造成量子态坍缩，让光子最终只在一边出现吗？但Prevedel却对意识与测量、坍缩之间是否真的存在关联持怀疑态度。
Prevedel说：“意识是人脑中细胞和神经元的共同作用的结果，这些细胞和神经元很多，没有几十亿也有几百万。如果意识在量子叠加态的探测中起到了作用，那么这个过程就会牵扯到尺寸和大脑相当的宏观物体，例如组成生物细胞的大量原子和电子的集合。但根据我们已有的知识，这种宏观物体是无法保持量子叠加态的。”

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刘彦刚

第1楼2018/08/20

应助达人

这些对于我们来说就发比是看天书，但是，他让我们感觉到我们生活在一个伟大的时代，我们中间有些不平凡的人，在微世界里探究得很深很深！

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