去而復返：科學家將光子發射到太空以檢驗量子理論

研究人員將一項著名的量子物理學實驗 推向了新的高度 他們將光子形式的光發送到太空 然後再返回 從而在比科學家在地球上 所能達到的距離更遠的地方 證明了光的粒子波雙重性質 在現實的量子理論中 電子和光子等粒子的行爲也像波一樣 這取決於科學家如何測量它們 物理學家稱這種現象爲波粒二象性 它導致了許多反直覺效應 比如單個粒子同時沿着兩條路徑運動 1803年早在量子理論提出之前 物理學家托馬斯·楊就做了一個著名的實驗 證明光的行爲像波一樣 楊將陽光穿過兩個狹縫 設像一張空白紙卡 當他觀察紙卡上的光線時 發現亮帶和暗帶的圖案向邊緣逐漸消失 光線並沒有穿過一個狹縫或另一個狹縫 而是像波浪一樣穿過兩個狹縫 並與自身相互作用形成圖案 就像池塘中的漣漪 二十世紀 科學家們在這種狹縫上安裝了探測器 以確定光究竟走的是哪條路徑 當他們這樣做時 他們總是在一個狹縫或另一個狹縫中檢測到光子 更重要的是 膠片上出現了兩條與縫隙相對的亮帶 而不是波紋光子穿過了一個狹縫或另一個狹縫 而不是像波浪一樣相互作用 這幾乎就像光之道 科學家希望它如何表現一樣 科學家們感到困惑的是 光是如何決定自己的行爲的 更重要的是 光是何時決定自己的行爲是粒子還是波的 光是在實驗開始時 即產生時 還是在實驗結束時 即被探測到時 還是在兩者之間的某個時間段 才決定自己的行爲呢 二十世紀七十年代末和八十年代初 理論物理學家約翰·惠勒 提出了一些測試方法來回答這個問題 其中一些涉及在光進入儀器後改變實驗裝置 這將把光能夠選擇其行爲的時間 推遲到實驗接近尾聲時 惠勒的實驗以前也做過 但規模沒有這麼大 利用軌道衛星上的反射器 研究小組可以在比以往更遠的距離上 測試量子理論的預測 量子力學定律 應該對任何距離都有效對嗎 當然如果不進行測試 我們也無法確定 地球上的實驗儀器一次發出一個光子 然後這束光被一種叫做分光器的裝置分成兩波 瓦隆解釋說 研究小組將一束光發送到一條稍長的路徑上 因此它最終會稍稍落後於它的對應光 關鍵在於科學家們是以這樣一種方式分光的 前一波具有水平偏振 後一波具有垂直偏振 換句話說 波的方向不同 然後光束經過預處理就可以被送往太空了 瓦洛內的團隊將光束射向一顆衛星 衛星上的反射器將光束送回意大利的儀器 此時兩道光波正向地球返回 其中一道光波稍稍領先於另一道光波 這就是實驗的延遲選擇部分 光波反射後 計算機向液晶發出一個隨機信號 根據信號的不同 該裝置要麼交換兩束光的偏振方向 要麼保持不變 此時光線再次通過分光鏡 如果偏振保持不變 分光器就會簡單地將光重新組合 使其成爲單波 如果偏振對調則會進一步分離 在兩個脈衝之間產生明顯的延遲 使光作爲一個單獨的粒子 只有在光返回地球后 這就意味着 在光到達探測器的最後一刻 它才知道科學家們在期待什麼 如果瓦隆的研究小組仍然看到相同的行爲 當光被重新組合時出現干涉圖案 而當光沒有被重新組合時出現單次閃爍 他們就會知道 這道光同時是粒子和波 直到他們的裝置讓他在最後選擇其中之一 而事實正是如此 光線像波一樣分成了兩束 同時又像單個光子一樣保持在一起 直到最後 液晶裝置迫使他在撞擊探測器之前選擇其中之一 瓦隆說 量子理論的預言 得到了證實量子力學的超現實本質再次得到了肯定 安大略省華鐵盧大學的量子物理學家托馬斯·詹尼溫認爲 儘管意大利團隊的工作重點是證實之前的實驗 但這項測試仍然很有價值 瓦隆團隊進行的實驗更接近惠勒最初的提議 詹尼溫說 據詹尼溫說 與之前的實驗相比 這是一個令人印象深刻的長時間 那麼這意味着什麼呢 惠勒實驗的結果 可能會讓那些喜歡相信確定的物理現實的人感到不安 新發現表明 宇宙中物體的行爲從根本上說是不確定的 除非有什麼東西迫使它們以某種方式行事 粒子像波一樣傳播 波凝聚成粒子 沒有什麼是可以確定預測的 物理學家常常把這些疑慮放在一邊 專注於自己的工作 詹尼溫有一句名言 閉嘴 計算 他把這句話歸功於康奈爾大學教授戴維梅爾明 這句話的意思是 科學家們應該努力弄清量子理論背後的數學原理 而不是試圖理解它的含義 詹尼溫和瓦隆都不完全信奉這一理論 詹納威說 人們幾乎花費了一生的時間試圖弄明白這些問題 他補充說 我個人認爲 當我們觀察量子粒子時 我們無法保持我們的經典觀點 對我們來說 這是一種新型概念 在我們的日常生活中沒有任何表徵 他指出 而日常生活正是我們產生直覺的源泉 瓦隆也以類似的方式來處理這個概念 當我們把光子看成一個粒子 一個小球時 我們就犯了一個錯誤 當我們把光子看成水波時 我們也犯了一個錯誤 他說 光子在某些情況下似乎表現得像波 或者似乎表現得像粒子 但實際上它兩者都不是 瓦隆團隊進行的實驗 加入了天基量子研究的新趨勢 2016年8月 中國發射了第一顆專門用於測試量子理論 及其在量子計算中的應用的衛星 上海的一個團隊利用這顆衛星 創下了最遠量子遠距傳輸的記錄 將一個光子的狀態 發送到大約1600到2400公里之外 瓦隆表示 這些壯舉可能會應用於計算領域 他說 量子物體可以同時處於兩種狀態 就像瓦隆實驗中的光一樣 因此 量子計算機可以比傳統電子設備編碼更多的信息 此外 由於量子態在被觀測時會發生變化 因此與傳統通信相比 量子通信具有更高的安全性 因爲你可以分辨出是否有人試圖竊聽 Jenna Wang預計會有更多類似Valony小組進行的實驗 天基實驗使研究人員能夠探索量子力學的極限 她說 這次實驗是邁出了第一步 我希望能在太空中看到更多基礎量子物理學測試