宇宙量子实验验证量子力学理论

物理学家使用马泰拉激光测距天文台验证量子理论。图片来源：意大利帕多瓦大学

近日，意大利科学家进行的“奇怪”空间实验已经证实，正如量子力学所言，现实是你所选择的。

物理学家早就知道，光量子或光子会像粒子或波一样运动，而光量子呈现粒子性还是波动性取决于对它们的测量方式。不过现在，一个研究团队通过从卫星发射光量子初步证实了该结论。虽然实验中似乎错过了决定光量子呈现波动性还是粒子性的时间点，但就在实验几乎全部完成时，观察者仍旧可以对其呈现形式做出选择。研究人员说，这种延迟选择实验有可能帮助人们更好地探索量子理论和相对论之间的模糊边际。

之前，其他研究者也已经在实验室中证明了相同的反直觉效应（与已有直观认知相反）。但曾参与过一次类似实验的法国帕莱索光学研究所物理学家Philippe Grangier提到，这项新研究表明，光量子的性质在数千公里范围内仍未定义。“这也是一个非常好的实验，能够体现出该团队具备在太空中进行量子物理学实验的强大能力。”他说。

光量子既可以呈现像子弹般的粒子态，又可以呈现荡漾的波动态，但它不能同时表现出这两种特性——它究竟呈现哪种特性取决于实验者如何去测量它。早在20世纪70年代末期，著名理论物理学家John Archibald Wheeler就意识到，实验者甚至可以延迟做出这个选择，直到光量子几乎完全通过一些设备后，再做决定。这证明了光量子的行为不可预测。

Wheeler曾设想利用马赫—曾德干涉仪一次一个地发送光子，这一方法强调了光的波动性。借助一种镜状“分束器”，干涉仪会将进入其中的光子的量子波分成两半，并使这两个波沿着相反方向行进。

然后，第二个分束器再重新组合这两个相互干涉的波，以将光子引流到检测器中。哪个检测器会被触发取决于两个路径长度的差异，这也正是预期中干涉波间通常会出现的情况。

移除第二个光束分离器，干涉不再存在。相反，第一个分束器发出的光量子就会像一个粒子一样，必须采取其中一条路径。而且，不论路径长度如何，这些光量子都会以相同的概率落在检测器上。

Wheeler意识到，实验者甚至可以等到去除第二个分束器，直到光子通过第一个分束器后，再进行测量。这个断言表明了一个奇怪结论，那就是当下的选择和决策竟然决定了过去的事件：光量子是分裂呈现波动性还是通过单一路径呈现粒子性。而量子理论假设光子直到测量之前都保持着波粒二象性，从而巧妙避开了这个问题。

日前，由意大利帕多瓦大学的Francesco Vedovato和Paolo Villoresi领导的研究团队，在意大利南部的马泰拉激光测距天文台使用1.5米长的望远镜进行了一个实验。他们从数千公里外的卫星上发射光量子并进行测量。

Villoresi指出，在这样远的距离上，物理学家不能让光从两条平行的路径发出，因为如果这样，扩散光束将重叠及合并。于是，研究人员在地球上用具有不同长度路径的马赫—曾德干涉仪发射光子。路径长度的差异会使单脉冲信号分为时间相差3.5纳秒的两个脉冲，然后再通过望远镜向太空射出。

一旦脉冲返回，实验者就会将它们再导回干涉仪。该装置可以消除时移，使得两个脉冲信号重叠并且像波一样相互干涉，或者使其倍增而不会互相干涉。当然，物理学家必须选择什么事情发生。当脉冲首先离开干涉仪时，它们有不同的偏振。而为了消除时移，物理学家必须先使用非常快的电子偏振通过某种方式改变它们的偏振。如果要将时移加倍，他们只需保留其原本的偏振效应即可。

当实验者将脉冲信号重叠时，正如预期中的干涉波一样，光量子将会以两个不同的概率触发不同的检测器，这两个不同的概率与卫星后退速度有关。当脉冲不能相互干涉时，无论卫星的速度如何，光子都会像粒子一样，以相同的概率触发任意一个检测器。该小组近日在《科学进展》上发文指出，实验中至关重要的是，物理学家会在光从卫星发出后的10毫秒的往返行程中决定以何种方式进行测量，但延迟做出的决定似乎再次及时地“反馈”了回去，从而决定了光子离开第一个分束器后将呈现何种性质。

这场不同寻常的太空实验证实了量子力学中的一个观点，即“现实”是可以由人们选择的。

法国巴黎高等师范学院物理学家Jean-Franois Roch说，这次实验并不是对Wheeler观点的最严谨验证。例如，为了观测到跨越这么远距离而来的光，Villoresi和同事必须发射含有许多光子的脉冲，而不是Wheeler指定的单个光量子。不过，Roch认为，这次实验仍可以算是成功将“量子光学”从实验室引入太空的一次显著实例。

Roch还提到，延迟选择实验可能有助于探索相对论与量子理论之间的界限。尽管严格来说，发现的这一效应并没有违反因果律，但由于提出由目前的衡量标准可以推断出过去的结果，它仍然造成了一个悬而未决的悖论。“这综合了量子力学和相对论，还基本没有被研究过。”Roch说，“因此这种实验或许可以成功探究出两者之间的联系。”