海森堡不確定性原理經(jīng)典解釋被實(shí)驗(yàn)推翻

不確定性原理限制了我們對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)的了解，但結(jié)果的不確定性并不完全是測(cè)量行為導(dǎo)致的。（供圖：C·達(dá)金/科技圖片圖書館）

和學(xué)生們所學(xué)的相反，旁觀者并不總能感覺到量子不確定性。一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)的測(cè)量不一定會(huì)導(dǎo)致不確定性。研究推翻了大量關(guān)于量子世界為何如此不可知的解釋，但可探測(cè)的最小尺度的基本極限仍然不變。

海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的一塊基石。簡(jiǎn)單地說，這個(gè)原理導(dǎo)致我們對(duì)量子世界的探索有一個(gè)基本的極限。例如，你越是確定某個(gè)粒子的位置，就越不能確定它的動(dòng)量，反之亦然。這個(gè)極限被表述為一個(gè)方程，在數(shù)學(xué)上很容易證明。

海森堡有時(shí)把測(cè)不準(zhǔn)原理稱為進(jìn)行測(cè)量的一個(gè)難題。他最著名的思想實(shí)驗(yàn)是對(duì)一個(gè)電子拍照。為了拍攝照片，科學(xué)家可能要向電子的表面發(fā)射一顆光子。這會(huì)暴露電子的位置，但光子也會(huì)把能量傳遞給電子，使它發(fā)生位移。探測(cè)電子的位置會(huì)不確定地改變它的速率，而測(cè)量行為引發(fā)的不確定性足以讓這個(gè)原理成立。

物理系學(xué)生在入門課上仍然在通過學(xué)習(xí)測(cè)量干擾來(lái)理解測(cè)不準(zhǔn)原理，但人們發(fā)現(xiàn)這不一定是對(duì)的。加拿大多倫多大學(xué)的艾弗瑞·斯坦恩博格（AephraimSteinberg）和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)光子進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)測(cè)量行為引發(fā)的不確定性可能小于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的要求。不過，我們對(duì)光子性質(zhì)的整體了解中包含的不確定性仍然高于海森堡原理的下限。

巧妙的測(cè)量

斯坦恩博格的團(tuán)隊(duì)并沒有測(cè)量光子的位置和動(dòng)量，而是兩個(gè)不相干的性質(zhì)：光子的偏振狀態(tài)。在這種情況下，在一個(gè)面上的偏振本質(zhì)上是和另一個(gè)面上的偏振狀態(tài)相互聯(lián)系的，根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，我們對(duì)這兩種狀態(tài)的確定了解有一個(gè)極限。

研究者“稍微”測(cè)量了光子在一個(gè)面上的偏振狀態(tài)，這種測(cè)量既不會(huì)干擾光子，又足以大致了解它的偏振方向。然后，他們測(cè)量了光子在另一個(gè)平面上的偏振狀態(tài)。最后，他們精確測(cè)量了光子在第一次測(cè)量的平面上的偏振狀態(tài)，看看它是否受到了第二次測(cè)量的干擾。

多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，研究者發(fā)現(xiàn)測(cè)量一個(gè)偏振狀態(tài)對(duì)另一個(gè)狀態(tài)造成的干擾不一定像測(cè)不準(zhǔn)原理預(yù)言那么多。在最有利的情況下，干擾是測(cè)不準(zhǔn)原理所預(yù)言的一半。

斯坦恩博格說：別太激動(dòng)——測(cè)不準(zhǔn)原理還是對(duì)的。“最后，你還是無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確得知兩種量子態(tài)?！钡珜?shí)驗(yàn)顯示，測(cè)量行為不一定是導(dǎo)致結(jié)果不確定的原因。他說：“如果系統(tǒng)中本身就包含了很多不確定性，那測(cè)量結(jié)果的不確定性不一定全部是測(cè)量行為導(dǎo)致的?！?/p>

最新實(shí)驗(yàn)第二次進(jìn)行了小于不確定極限的測(cè)量。今年早些時(shí)候，奧地利的維也納科技大學(xué)的一位物理學(xué)家長(zhǎng)谷川宇治（YujiHasegawa）測(cè)量了中子的自旋，結(jié)果的不確定性小于假設(shè)系統(tǒng)中所有的不確定性都由測(cè)量導(dǎo)致的預(yù)測(cè)結(jié)果。

但最新的研究成果最清晰地解釋了海森堡原理解釋的錯(cuò)誤。澳大利亞布里斯班的格里菲斯大學(xué)的一位理論物理學(xué)家霍華德·維斯曼（HowardWiseman）說：“這是海森堡測(cè)量干擾不確定原理的最直接的實(shí)驗(yàn)證明。這很可能對(duì)教科書的作者們有用，讓他們知道簡(jiǎn)單地把測(cè)量和干擾聯(lián)系起來(lái)是錯(cuò)誤的?！?/p>

不過，要?jiǎng)訐u古老的“測(cè)量導(dǎo)致不確定”的解釋也許很難。甚至在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，斯坦恩博格仍然在最近留給學(xué)生的一份作業(yè)中提出了一個(gè)測(cè)量如何導(dǎo)致不確定的問題。他說：“直到批改作業(yè)的時(shí)候，我才意識(shí)到我的題目是錯(cuò)的?，F(xiàn)在我要小心點(diǎn)了?！?/p>