银川无粘结钢绞线 量子物理是什么？——回复经久未决的问题（下）

阿特·霍布森1著 龙桂鲁2译银川无粘结钢绞线

1. 阿肯大学; 2. 清华大学

六

插手仪实验

2018 年，北京清华大学的龙桂鲁团队开展了项惊东说念主的实验，该实验不仅证明了大蔓延波函数的真是——这恰是量子基础表面战论的中枢议题，还揭示了其他遑急发现。挨次会龙的实验，咱们先需要了解“光子插手仪”的责任旨趣(图7)。

图7光子插手仪(详见正文说明)

这个安装演示了光的插手应。束光(束光子流)沿着图7 中所示的两条旅途穿过安装，并在两个探伤器D1 和D2 处被检测到。每个光子具有研究的波长。图7 姿色了个单光子，它正向右移动并行将插足插手仪。

假定束光子穿过实验安装。在图7 左下角，这束光子会遇到个“分束器”BS1——这个薄玻璃板(图中以侧视图呈现)。此时光子面对“选用”：要么从玻璃名义反射(旅途1)，要么穿透玻璃板(旅途2)。当宏不雅光束通过该安装时，50的色泽(即半数光子)会一齐径1 传播，另半则一齐径2 传播。

当你在东说念主行说念上经过商店橱窗时，若曾看到镜面上的身影，就切形体验过光子的反射与传播。由于你看到照耀出的身影，部分光子然从玻璃名义反射总结。同期，店内的主顾也能看见你透过橱窗的身影，因此从你身上反射的光子还需穿过玻璃窗。正如咱们将要揭示的，这种双重影像源自“量子重复”旨趣。

分束器BS1 被设计成这么，要是捎带数百万个光子的光束撞击BS1 的名义，则在BS1 处大要有50的光子反射，50的光子透射。

假定实验中莫得BS2 安装，光子通过插手仪时是一一传输的。实验数据浮现，每个探伤器接纳的光子数目大要独一50。这考据了“量子合座”旨趣：光子是个度统的单实体，法被分割。在探伤器中你永远找不到半光子，要么检测到个光子，要么检测不到。

此外，这些收尾是“当场”的。咱们不可能瞻望任何个特定的光子会出现时D1 照旧D2。咱们须为每个收尾分派50的概率。

因此，这个实验展示了量子当场。况且，实验收尾是当场的，比抛硬币或轮盘赌等任何其他契机游戏王人要当场。这些游戏老是浮现出与浮松当场存在些轻飘的系统偏差，但这个实验标明，与契机游戏不同，量子当场是的。

现时假定咱们开动实验时安装了BS2。在这种情况下，您可能会揣度这会致半的光子被发现于D1，而另半在D2。

这个揣度将是不正确的。

实验数据浮现，D1 和D2 处的测量收尾现时对从BS1 到BS2 的两条旅途长度变化其敏锐。实验东说念主员不错通过调治其中个或两个反射镜的位置(例如高下操纵移动)来更正旅途长度。即使单条旅途的长度变化仅为个波长的小部分，到达任探伤器的光子比例仍可能在到 之间波动。咱们发现这种旅途长度依赖以致在单光子传输时依然存在！

图8展示了两个探伤器的检测收尾如何随旅途1和旅途2 之间的长度互异而变化。该距离以光子波长为单元进行测量，而个波长对应于360 度的相位差。例如，要是两条旅途长度研究，则在D1探伤到光子的概率为，而在D2 探伤到的概率为。

图8对于图7所示的插手仪，D1处的检测概率会跟着两条旅途长度的互异呈现“正弦波”(即海潮形)变化。该旅途长度互异以角度度为单元进行测量，其中360度代表个齐全波长。因此90度对应四分之波长，而180度则对应半波长

图8 所示活动的解释是，每个光子在通过BS2后即与自身发生插手。即使光子是次个地通过插手仪，也会发生这种插手。因此，每个光子然是同期一齐径1 和旅途2 移动。

光子被以为“处于两条旅途的重复景况”。这即是个单的量子物体如何同期存在于两个地。

七

“延伸选用”插手实验

部分物理学建议，若在光子通过BS1 后才决定插入BS2，实验收尾可能会有所不同。这种情况下，光子在插足BS1 前法“先见”(即法整信息)会遇到BS2。此时它可能像粒子(插手)而非波(有插手)那样活动。这种“延伸选用实验”已被执行考据。居然如斯，延伸选用并不会产生影响：若在光子到达交叉点前插入BS2，其重复态的两个部分会混，从而致光子自相关涉；若未插入BS2，两部分法混，当然不会产生插手。

物理学们仍在就量子物理学的“解说”这压根问题伸开争论。令东说念主骇怪的是，好多物理学质疑波函数是否在真是场中客不雅存在真是的波动。好多东说念主以为，波函数只存在于物理学的念念维之中。

2018 年，北京清华大学的龙桂鲁团队开展了项延伸选用实验的新版块参议。该实验中，当光子在插手仪两臂交叉点发生自插手(即“遭受自身”)时，BS2 信号被插入其中。这破损效力展现了实验设计的精妙进程，关节的是，它阐述了空间延展波函数的物理实在——这恰是量子基础表面战论的核惊险点。

在龙的实验中，每个单光子实验考试王人包含五个选项的延伸当场选用：

(1) 在光子到达交叉点前插入BS2，

(2) 当光子通过交叉点30时插入，

(3) 当光子通过交叉点50时插入，

(4) 当光子通过交叉点80时插入，

(5) 不插入BS2银川无粘结钢绞线 。

龙的蓄意是通过证明“微不雅物体的波函数即是其真是存在，而非单纯的数学姿色”，来阐释量子物理学的“现实解释”。正如波函数散布、以有限速率传播并在被探伤时一会儿坍缩那样，量子对象也存在于空间的不聚拢区域中。

实验中的每个光子王人是个管状脉冲，包含100 米长和1 微米(百万分之米)直径的电磁能量(这与实验中使用的光纤厚度研究)。需要扫视的是，像光子这么的单个量子物体未很小。这种物体的长度可达100 米。

当光子穿过交叉点时，BS2 的插入会将其分割为前部(长度差异为30 米、50 米或80 米)和后部，两者开通向不同。尽管被“重复”为两个部分，光子仍保执单合座的统。坍缩兴盛仅在被探伤时才会发生。该实验除了证明光子的非局域合座外，还阐述了量子重复态中每个子波的真是存在。

图9 展示了插入一会儿的单次考试，其中除名了上述选项(3)：

图9 (a)在雷同图7的插手仪实验中，当旅途1和旅途2上的两个“子波”中心到达交叉点时，插入BS2；(b)稍后，两条分支的前半部分已向探伤器移动。此时BS2仅影响两条分支的后半部分。上行的后半部分因相消插手而消亡，下行的后半部分则通过相长插手得回增强

(b)部分展示了(a)所示再见后不久的两个子波。两个子波的前半部分沿原有旅途传播。BS2 的插入仅影响后半部分，致混并产生插手。该部分展示了旅途1 上的相长插手应以及旅途2 上的相消插手应。

当量子物理的数学旨趣应用于龙的实验时，总共五个选项的实验收尾王人与之吻。这证明光子(以及电子、质子、夸克等总共量子粒子)正如其波函数所姿色的那样，是真是存在于空间中的实体。莫得任何事理怀疑这些物体的真是。

八

纠缠与非定域

咱们曾论证过，总共量子(光子、电子、质子、原子等)王人是由其波函数姿色的延展空间场。同期指出，光子、电子、质子、夸克、原子等量子王人具有“非局域”特征——这些历程并非从点传递到附近点，而是在一会儿超过距离完成。原因很通俗：总共能量王人具有量子特。例如电磁能不错以个或多个光子的款式存在，但半个光子并不存在。由于光子自己是延展空间体，因此从光子到单个光子的跃迁须一会儿超过整段距离。

此外，当两个或多个量子系统发生“纠缠”时，它们的组然发达出非局域活动。正如前文所述，这兴盛已通过实验得回阐述，2022 年诺贝尔物理学恰是授予了三位通过实验考据该兴盛的物理学。

图10 提供了对纠缠和非局域的直不雅走漏。

图10当两个量子再见、相互作用并分离时，它们可能会地纠缠在起。该暗示图由Herbert 1985建议

大宗实验已阐述非定域兴盛。其中具代表的案例是对于光子对开通向(即动量)产生纠缠的参议。该实验不仅揭示了非定域旨趣的运作机制，为走漏“测量问题”(下文胪陈)开了新视角。这项参议由两个立团队差异完成并发表效力，我将其统称为“Rarity-Tapster-Ou(RTO)实验”。

图11 展示了系统布局。光源通过个本文不作胪陈的物理历程，生成两个纠缠光子“A”和“B”。光子A从光源中射出时处于两条旅途的重复态，如图11 所示差异为“A1”和“A2”。旅途A1 会穿过个“相位迁徙器”fA，该安装可更正其传播旅途长度。随后，预应力钢绞线旅途A1 和A2 和会过图7 中BS2 对应的分束器BS 进行混。终，这两个子波会被两个探伤器差异捕捉到。

图11 RTO实验的布局。个光子从光源一齐径A1和A2射出；另个光子沿B1和B2射出。这两个光子酿成个纠缠的双光子

雷同地，光子B同期处于B1 和B2 两种景况，并被两个探伤器差异捕捉。正如咱们将要看到的，这个“双光子”就像个统的合座——尽管它的两个部分可能相隔天文圭臬的距离。图12 展示了种替代旅途布局案，在该案中，两个立光子不错相距甚远。

图12 RTO实验，设计用于庸碌分离的探伤器(参见图10)

要是两个光子之间莫得量子纠缠，每个光子只会像图7 所示的单光子那样仅与自身产生插手。而量子纠缠则更正了两者的特。实验收尾标明，A1/A2 和B1/B2 两个探伤器现时王人纪录到当场的50-50 收尾，且不存在相位依赖(即收尾不因光子旅途长度的精准互异而更正)。物理学用“非相关”词姿色这种相位关的特。量子纠缠使得单个光子变得“非相关”，这意味着它们王人法与自身产生插手。

然则，纠缠的双光子AB确乎具有自身相关(相位依赖)的景况。当更正fA 或 fB中的任参数时，双光子会发达出图13 所示的策动，这标明双光子“知说念”两个分离光子之间的相位差ϕB-ϕA。

图13非定域插手：值得扫视的是，RTO的两个纠缠光子之间的策动进程会跟着非定域相位差ϕB-ϕA呈正弦变化

纠缠将单个光子的相关(相位依赖)迁徙到双光子AB上。两个纠缠光子动量之间的关联进程会跟着相位差ϕB-ϕA的变化而变化，这两个光子相距较远。

这让咱们得以入走漏量子纠缠如何致非局域作用。图13 给出了策动收尾的可视化现。需要绝顶扫视的是，该弧线呈现出与图8 相似的“正弦波”(波动型)特征。但两者的互异主要体现时以底下：

图8 展示了图7 中单光子的“旅途选用”概率散布。当光子穿过个分束器后，会同期存在于旅途1 和旅途2 的重复态；此时BS2 将两条旅途混。图7 通过比拟两条旅途长度的差值，画图了D1 处探伤到光子的概率散布弧线。当相位差为时概率为，相位差为90 度(即四分之波长)时概率为50，而相位差为180 度(半波长)时概率归(即在D2 处被探伤)。单光子的量子态会随相位变化而更正——用薛定谔的话说，光子就像被“抹平”在两种景况之间。

图13 呈现出天悬地隔的征象。它展示了两个光子A和B的纠缠态。与图8 雷同，图13 通常呈现正弦波形，但两条弧线代表的兴盛却大相径庭。图13 直不雅呈现了A态与B态之间的统计策动进程：当两光子处于度角时，策动达到“”景况(即A1 与B1 或A2 与B2 对应)；当角度为90 度时，策动降至“”水平(50的实验收尾呈现正策动，50呈现负策动)；而当角度为180 度时，策动则达到“负策动”景况(即A1 与B2 或A2 与B1对应)。值得扫视的是，论相位如何变化，两个光子永久保执着立的50-50 相位重量。固然两个光子自己莫得吞吐，但它们之间的策动却呈现出彰着的吞吐化特征。

总结来说，图7 所示的通俗重复态意味着光子A同期存在于两种景况之间，单个光子的景况在这两种景况间被“吞吐化”。而像图11 所示的纠缠态则意味着两种景况间的关联同期存在。这些关联是吞吐化的，但论相位如何变化，光子的景况永久保执50-50 的平分比例，因此单个光子不会被吞吐化。

措辞的准确至关遑急。单个重复光子会同期处于两种量子态(例如“旅途1”和“旅途2”)。对纠缠光子则会同期发达出两种关联(例如“研究”和“不同”)。

纠缠态的非局域直不雅易懂。举个例子，要是摒弃光子A 的丽丝和摒弃光子B 的鲍勃预先商定，把两者的光子相位调到致(即两者的相位差为)，那么他们的不雅测收尾就会同步。这意味着当丽丝的光子出现时A1 位置时，鲍勃的光子定会出现时B1 位置。即便两东说念主身处不同星系，鲍勃也能一会儿读取丽丝的不雅测收尾！

纠缠双光子是种度统的量子实体，其活动具有非局域，且不受两部分间距的影响。这种量子纠缠将两个光子更动为对粒子——固然每个光子自己呈现非相关态，但它们共同组成了个单的相关实体。该实体会以雷同单个非纠缠光子自过问的式产生自插手兴盛。

九

薛定谔的猫：探伤问题

在本节中，咱们将发现前节对于非局域的观点使咱们大致处分个大家皆知的经久问题，即“测量问题”或“薛定谔的猫问题”。

1935 年，埃尔温·薛定谔写了篇题为《量子力学的近况》的论文。它证明了他对波函数等表面见地与实验室检测电子和光子的真是宇宙之间的关系的看法。

薛定谔曾用“涂抹应”来姿色这个“奇特案例”。所谓“涂抹应”，是指当处于重复态的量子对象(例如图7 中处于旅途1 和旅途2 重复态的光子)在D1 和D2 处被探伤时所资格的变化。如图8所示，这种探伤具有不细则，但D1 或D2 处的探伤概率是可瞻望的。这些概率由插手仪的“相位设置”或“旅途差”决定。例如来说，若旅途差为45 度(即齐全波长的八分之)，则D1 处的探伤概率为71，D2 处的概率为29。这意味着在长达数百次的实验中(例如相位差设为45 度时进行100 次考试)，光子在D1 处被探伤到的概率约为71，而在D2 处被探伤到的概率约为29。这恰是量子不细则旨趣的典型例证。薛定谔会说，光子在这两次探伤之间被“涂抹”了。

“探伤问题”指的是分析此类场景中探伤器责任景况的贫窭。假定D1 探伤到光子，它须通过声或在纸上纪录数字“1”来作念出宏不雅璀璨。但问题在于，当用量子物理的数学表面分析这个历程时，收尾似乎呈现出种重复态——宏不雅探伤器同期浮现D1 和D2 的景况。这种兴盛既未被不雅测到，也显得无理至。

为了处分这个问题，先要扫视到以下句子姿色了这种矛盾的重复：

光子一齐径1 移动，探伤器D1 被触发，AND

光子一齐径2 移动，探伤器D2 被触发, (1)

其中单词AND表示重复。

姿色(1)似乎处于种“宏不雅重复态”，其中D1和D2 王人会触发。这昭着无理，且与执行情况相反——在真是实验室中，不雅察者只会看到D1或D2中的个被触发，而不会同期看到两个。问题出在那儿？

薛定谔用的“薛定谔的猫”案例阐释了这个悖论。他遐想只被关在密闭房间里的猫，与辐射物资和辐射探伤器共同存在。这种辐射物资被故意设计成在小时内至少发生次衰变的概率为50的量子态。当探伤器触发时，会激活锤子破毒气瓶，致猫圆寂。他写说念：“从通盘系统的波函数来看，这极端于活猫与死猫的重复态。”他指出：“辐射物资的微不雅不细则已更动为可通过平直不雅测处分的宏不雅不细则。这种不雅测使咱们法通俗地将吞吐模子视为现实宇宙的镜像。”这里所说的“吞吐模子”，指的是像图7 和图8中光子那样处于重复态的物体。

要而论之，薛定谔宣称，他联想中的猫实验标明，量子“涂抹”(即重复态)可能致只猫同期处于生与死的重复态，但这很无理。

咱们将行使八节的观点来证明薛定谔是伪善的。这是因为，正如咱们将要展示的，纠缠态并不成姿色个吞吐(即重复)的探伤器。

让咱们回到图7 所示的插手仪实验。当光子穿过插手仪(但在被探伤之前)，光子处于以下款式的通俗重复态：

光子一齐径1

AND一齐径2 传播。 (2)

这姿色了单个微不雅物体——个光子——的重复态。这种微不雅物体的通俗重复在量子物理中很常见。(2)确乎姿色了个“吞吐”的光子。

检测态(1)并非属于此类情况，而是种纠缠态。该态姿色了两种关联的重复：种关联是“光子被检测到水平旅途”与“探伤器在D1 处纪录”之间的关系；二种关联则是“光子被检测到垂直旅途”与“探伤器在D2 处纪录”之间的关联。这与图11 中两个纠缠光子的姿色酿成对比：

光子A在A1 处纪录

以及光子B在B1 处被纪录

AND光子A在A2 处纪录

以及光子B在B1 处被纪录

AND光子A在A2 处注册

以及光子B在B2 处被纪录 (3)

其中AND表示重复态。这并非像前文证明(2)那样的通俗重复，而是雷同于前文证明(1)的纠缠态。与证明(2)姿色的单个量子系统同期呈现两种景况不同，证明(3)所述的纠缠态则姿色了两个量子系统同期发达出两种关联。

挂牵前章，当两个光子处于纠缠态时，它们王人不会捎带相位。用薛定谔的话来说，这两个光子王人不会被“吞吐化”。这处分了量子检测的贫窭。薛定谔对量子检测的品评在于，那些“子系统”(可能包括只猫)会被“吞吐化”。但咱们依然看到，检测态自己是纠缠态，这意味着子系统并非被“吞吐化”，而是相互立且不受相位影响。

因此，对纠缠的正确走漏致了量子物理学中迂腐和刻的问题之的处分案，即探伤(或“测量”)问题。

本文选自《当代物理学问》2026年1期YWA裁剪

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