量子物理的七个实验

量子物理的七个实验
2023-03-15

一些展示量子力学奇异现象的经典实验，

1、双缝干涉
2、量子芝诺效应
3、Casimir效应
4、Elitzur-Vaidman炸弹
5、贝尔实验
6、Aharonov-Bohm效应
7、超导和超流动性

它们的结果证明或暗示了量子力学与经典物理学的不同，以及量子力学的潜在应用。以下会简单地介绍每个实验的内容和意义。

1. 双缝干涉（double-slit interference）：

这是一个展示光和物质具有波粒二象性的实验，即它们既可以表现为波，也可以表现为粒子12。实验中，一束光或一束电子通过两个相距很近的小缝后，在屏幕上形成一系列明暗相间的条纹，这是由于两个缝发出的波在屏幕上发生相干干涉造成的12。如果只打开一个缝，那么屏幕上就只有一个亮点，没有条纹12。如果在两个缝之间放置一个探测器来观测每个电子穿过哪个缝，那么屏幕上也不会出现条纹，而是两个亮点，这是因为观测破坏了电子的波动性12。这个实验说明了观测对量子系统的影响，以及量子系统不能同时具有确定的位置和动量（海森堡不确定性原理）12。

2. 量子薛定谔猫（quantum Zeno effect）：

这是一个展示量子态随时间演化受观测影响的现象，即如果频繁地观测一个处于叠加态（superposition state）的量子系统，那么它就不会发生衰变或跃迁到其他状态3 。这个现象类似于薛定谔猫（Schrödinger’s cat）思想实验中，如果频繁地打开盒子来观察猫是否死亡，那么猫就永远不会死亡3 。这个现象可以用于控制和保护量子态，例如在量子计算和量子信息中3 。

3. 卡西米尔效应（Casimir effect）：

这是一个展示真空并非真空而是充满了虚粒子（virtual particles）涨落的现象，即当两块金属板相距很近时，在它们之间会产生一种吸引力 。这种吸引力是由于在金属板之间能够存在的电磁场模式受到限制而导致真空能降低造成的 。这种效应可以用来检验量子场论和广义相对论之间的关系，以及探索微观尺度下的引力效应 。

4. 埃利策-魏德曼炸弹（The Elitzur-Vaidman bomb）：

这是一个展示量子力学中存在着“相互作用自由测量”（interaction-free measurement）的思想实验，即可以用光来检测一枚光敏炸弹是否有效，而不用引爆它 。实验中，一束光通过一个半反射镜后分成两束，其中一束直接射向一个探测器，另一束经过一个反射镜后与第一束在另一个半反射镜上相遇 。如果没有炸弹，那么两束光会有50%的概率干涉后到达探测器，也有50%的概率干涉后被反射到另一个方向 。如果有炸弹，那么当第二束光经过炸弹时，炸弹会被引爆，从而阻止第二束光到达第二个半反射镜 。这样，第一束光就会有100%的概率到达探测器 。如果探测器没有检测到光，那么就说明有炸弹，并且没有引爆它 。这个实验说明了量子力学中存在着一种非局域性（nonlocality），即两个空间分离的量子系统可以通过纠缠（entanglement）而相互影响 。

5. 贝尔实验（Bell experiment）：

这是一系列用来检验量子力学是否符合局域性和隐变量理论（local hidden variable theory）的实验，即是否存在着一些未知的因素来决定量子系统的状态和行为 。实验中，通常使用两个偏振分析器（polarizer）来测量两个纠缠的光子的偏振方向，并比较它们是否相关 。根据贝尔不等式（Bell’s inequality），如果存在着局域性和隐变量理论，那么两个光子的相关性应该有一个上限 。然而，实验结果表明，两个光子的相关性超过了贝尔不等式的限制，从而否定了局域性和隐变量理论 。这个实验说明了量子力学中存在着一种超越经典物理学的非局域性和不确定性 。

6. 阿哈罗诺夫-玻姆效应（Aharonov-Bohm effect）：

这是一个展示电磁场对电荷粒子产生作用不仅取决于场本身而且取决于场的势（potential）的现象，即即使在电磁场为零的区域内，电荷粒子也会受到势的影响而发生相位变化或干涉 。实验中，一束电子通过一个带有磁场的螺线管附近时，在屏幕上形成一系列条纹。当改变螺线管中的磁通量（magnetic flux）时，条纹会发生移动 。这说明了电子受到了螺线管中的矢势（vector potential）的影响，而不是磁场本身 。这个实验说明了量子力学中存在着一种非局域性和全局性（globality），即量子系统的状态和行为不仅取决于局部的物理量，而且取决于整体的几何结构 。

7. 延迟选择量子擦除器（Delayed choice quantum eraser）：

这是一个展示观测者对量子系统产生作用不仅取决于观测时间而且取决于观测方式的现象，即即使在光子已经通过一个干涉装置后，观测者仍然可以选择是否擦除光子的哪路信息（which-path information），从而影响光子是否形成干涉条纹 。实验中，一束光通过一个双缝后分成两束，其中一束被分光镜反射到一个探测器D0上，另一束被分光镜透过到另一个分光镜上 。透过的光再次分成两束，其中一束被反射到一个探测器D1上，另一束被透过到一个探测器D2上 。同时，在D0和D1之间以及D0和D2之间有两个偏振转换器（polarization rotator），它们可以改变光的偏振方向 。如果偏振转换器关闭，那么D0上就会检测到两个缝产生的不同偏振方向的光，并且没有干涉条纹 。如果偏振转换器打开，那么D0上就无法区分两个缝产生的光，并且出现干涉条纹 。这说明了观测者在D0上检测到光之后仍然可以通过打开或关闭偏振转换器来擦除或保留光子的哪路信息，并且影响光子是否形成干涉条纹 。这个实验说明了量子力学中存在着一种非因果性和反事实性（counterfactuality），即量子系统的状态和行为不仅取决于已经发生的事实，而且取决于可能发生但没有发生的事实 。

==== 补充 ====

1. 贝尔不等式

是一种用来判断量子力学是否与局域隐变量理论（local hidden-variable theories）相容的数学条件12。局域隐变量理论是一种假设物理现象可以由局部的、确定的、未知的因素来决定的理论，它符合爱因斯坦的局域性原理（principle of locality），即一个粒子只能受到它周围环境的影响，而不能受到远处粒子的影响2。

2. 量子纠缠（quantum entanglement）

是一种量子力学现象，指一组粒子在生成、相互作用或共享空间邻近时，它们的量子态不能独立地描述，而必须考虑其他粒子的状态，即使这些粒子相距很远3。量子纠缠是量子力学与经典物理学最大的区别之一，也是未来量子技术的核心4。

3. 贝尔定理（Bell’s theorem）指出，

在一些基本假设下，量子力学与局域隐变量理论不相容，也就是说，存在某些情况下，量子力学预测的结果会违反贝尔不等式，而局域隐变量理论则不会25。这意味着，在这些情况下，要么放弃局域性原理，要么放弃确定性原理（principle of determinism），即物理现象可以由先前的状态完全决定。

4. 实验结果证明了贝尔定理的正确性，并且表明了量子纠缠之间存在着非局域性（nonlocality），即两个纠缠粒子之间有一种超越时空限制的联系67。这也意味着纠缠粒子之间的状态并不是事先确定好的，而是在观测测量时才决定的89。这就是爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）7。

5. 埃利策-瓦德曼炸弹测试问题是一个量子力学思想实验，最早由埃利策和瓦德曼在1993年提出。它涉及使用马赫-曾德尔干涉仪来测试一枚炸弹是否能够引爆，而不用真的引爆它。这个想法是，一个单光子可以与炸弹在两条路径上形成量子叠加，从而揭示它的状态，而不被它吸收 (https://en.wikipedia.org/wiki/Elitzur%E2%80%93Vaidman_bomb_tester

6. 维格纳的朋友是另一个量子物理思想实验，最早由维格纳在1961年提出，并由戴维·德意志在1985年进一步发展。它涉及对一个量子测量的间接观察：一个观察者W观察另一个观察者F对一个物理系统进行量子测量。然后，两个观察者对测量结果做出陈述。悖论出现在W和F对现实有不同的描述，这取决于他们是应用量子力学的规则还是经典物理的规则

7.这些思想实验的实验结果并不确定，但它们暗示了没有一个与观察者无关的客观现实。一些可能的解释是，现实是关系性的，意味着它取决于观察者和被观察系统之间的关系；或者现实是多世界的，意味着每一个可能的量子测量结果都存在于一个平行宇宙中