爱因斯坦错了「测量光子会影响其他位置」

晨星之牧丶释逸

上世纪20年代和30年代，爱因斯坦(左)一再强调他不赞同“对一个粒子进行测量会影响其位置”的怪异理论。但日本和澳大利亚的一组科学家进行的研究显示在对一个光子进行测量时，光子会出现这种怪异的现象，也就是爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”。右侧照片中的人是澳大利亚格里菲斯大学的霍华德-维瑟曼教授





通过在两个实验室之间分割单一光子，科学家利用零差检波器(测量类似波的特性)进行测量，证明波函数坍缩是一种现实存在的现象



北京时间4月7日消息，据国外媒体报道，量子力学是当今科学中接受实验分析最多的理论之一，也是科学家试图通过实验证明爱因斯坦错误的为数不多的领域之一。近日，来自澳大利亚格里菲斯大学和日本东京大学的研究团队宣称做到了这一点，他们的实验显示，测量的确会影响被测量粒子的位置。

关于这一奇特现象背后的“不确定性原理”，爱因斯坦早在20世纪20到30年代就表达了不支持的态度。他称这是“鬼魅般的远距作用”，即一个粒子可以同时在两个地方出现，直到有人对这个粒子进行测量时，它才具有确定的位置，但是在这一过程中，似乎并没有信号以超光速的速度传输给这个粒子。当这个粒子的位置确定时，物理学家称之为该粒子的波函数坍缩。

这一现象超出了同时代科学家的物理学经验，而且似乎与相对论相悖，后者认为光速是任何信息传播速度的上限。爱因斯坦提出，这个粒子并不是处于叠加态，也不是同时出现在两个地方，更可能的情况是它具有一个“真实”的位置，只是人们无法观测到。

这一现象可以通过一个思想实验来说明。假设有一道光束被分离成两半，一半发射到爱丽丝的实验室，另一半发射到鲍勃的实验室。然后，爱丽丝要指出是否探测到了光子，以及如果探测到的话光子处于什么状态——此时或许可以用波包(wave packet)来描述这个光子。在数学上，此时光子处于“叠加”(superposition)状态，即它可以同时出现在两个(或更多)地方。它的波函数似乎表明光子并没有确定的位置。

格里菲斯大学量子力学中心主任霍华德·怀斯曼(Howard Wiseman)说：“爱丽丝的测量导致叠加态坍缩。”这意味着在测量时光子存在于此处或别处，而不是在两处同时出现。如果爱丽丝探测到一个光子，意味着在鲍勃的实验室里，光子的量子态出现了坍缩，进入了零光子状态;但如果爱丽丝并没有探测到光子，那鲍勃这边的光子就坍缩到单光子状态。

在3月24日的《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上，怀斯曼等对这一实验进行了描述。他说：“你会觉得这一现象合理吗?我觉得不会，因为爱因斯坦肯定不认为它合理。他认为这很疯狂。”从描述上看，爱丽丝的测量似乎对鲍勃的观测结果起着支配作用。

这个悖论在提出来几年之后得到了部分解答。有实验显示，尽管两个量子粒子之间的相互作用瞬时发生的，即二者信息传递速度比光速还快，但还是没有办法利用这一现象来进行信息传递。

霍华德·怀斯曼主持了新的实验，他和研究团队的成员们希望能更进一步，揭示出波函数坍缩的过程——即爱丽丝“选择”了测量并因此影响到了鲍勃的探测——是确实发生的。已经有其他实验揭示出两个粒子之间的纠缠状态，但在这项新研究中，光子是和它自身纠缠在一起。

在实验中，科学家发射的光子束经过一个分离器，一半的光传递出去到达一个实验室，另一半则经过反射到达另一个实验室(相当于前述思想实验中的爱丽丝和鲍勃的实验室)。光每一次的传播都是以单个光子的形式，因此这个光子分成了两个。在被测量之前，它以叠加态存在。

其中一个实验室利用激光作为参照，对光子的相位进行测量。如果把光想象成一道重复的正弦波，相位就是进行测量时的角度，从0到180度。当改变参照激光的角度时，就会得到对光子的不同测量结果：它或者处于某个特定的相位，或者根本就不会出现。

在另一个实验室中，科学家对光子的测量结果与前一个实验室出现了反相关性，即如果这边观测到了光子，那另一边就观测不到光子，反之亦然。后一个实验室的光子状态取决于前一个实验室的测量结果;但是，在经典物理学中这种现象是不应该出现的，两个粒子应该处于各自独立的状态。