Undersøgelse af den realistiske karakter af bølgefunktionen i kvantemekanik

Kvantemekanik er en søjle i moderne videnskab og teknologi, og har været til gavn for det menneskelige samfund i et århundrede. Bølgefunktionen, også kendt som kvantetilstand, er beskrivelsen af ​​et kvanteobjekt og spiller en central rolle i kvantemekanikken. Ikke desto mindre, bølgefunktionens art diskuteres stadig. Indtil nu, der har været flere fortolkninger af bølgefunktionen, herunder Københavns fortolkning, De Broglie's pilotbølge fortolkning, og fortolkningen i mange verdener.

Blandt dem, den københavnske fortolkning dominerer. Det behandler bølgefunktionen blot som en kompleks sandsynlighedsamplitude, der bruges til at beregne sandsynligheden for at finde kvanteobjektet på et givet sted. I dette tilfælde, bølgefunktionen er et rent matematisk værktøj, og skal derfor kun levere viden om fænomener. Imidlertid, den københavnske fortolkning kan ikke beskrive kvanteobjektets virkelige eksistens. Derfor, at udforske bølgefunktionens art er af grundlæggende betydning for at låse op for den mystiske kvanteverden.

I en nylig undersøgelse, en realistisk fortolkning (REIN) for bølgefunktionen blev foreslået af Gui-Lu Long, en forsker ved Institut for Fysik, Tsinghua Universitet, i den kinesiske by Beijing. REIN siger, at bølgefunktionen af ​​et kvanteobjekt er en faktisk tilstand snarere end en ren matematisk beskrivelse - med andre ord, kvanteobjektet i rummet findes i form af bølgefunktionen. For at demonstrere dette, Gui-Lu Long og hans samarbejdspartnere, Wei Qin, Zhe Yang og Jun-Lin Li, også fra Institut for Fysik, Tsinghua Universitet, designet et møde-forsinket valg-eksperiment og eksperimentelt realiseret ordningen. Dette studie, med titlen "Realistisk fortolkning af kvantemekanik og forsøg med forsinket valg, "er blevet offentliggjort i Videnskab Kina fysik, Mekanik og astronomi .

Forskerne viste, at et kvante- eller mikroskopisk objekt forlænges i rummet eller endda, i nogle tilfælde, i usammenhængende områder af rummet, med amplitude og fase. Kvadratet for bølgefunktionens modul repræsenterer den rumlige fordeling af kvanteobjektet. Når det måles, det rumfyldende kvanteobjekt vil, ifølge målepostulatet i kvantemekanik, kollapse øjeblikkeligt. I dette tilfælde, objektet opfører sig som en partikel. På grund af eksistensen af ​​en fase, interferensen mellem to sammenhængende bølgefunktioner kan forekomme, når de støder på. Følgelig, den resulterende bølgefunktion vil ændre sig forskelligt forskellige steder:Nogle styrkes på grund af konstruktiv interferens, hvorimod nogle andre annulleres på grund af destruktiv interferens. Dette ændrer den rumlige fordeling af kvanteobjektet. I dette tilfælde, objektet opfører sig som en bølge.

En god demonstration af forsinket valg giver et to-vejs interferometer, Mach-Zehnder interferometer (MZI). Vores diskussion er begrænset til det tilfælde, hvor en enkelt foton rettes til MZI efterfulgt af to detektorer. Ifølge det traditionelle perspektiv, arten af ​​den enkelte foton inde i MZI afhænger af, om den anden BS er på plads eller ej. Hvis den anden BS mangler, den enkelte foton bevæger sig derefter langs kun en arm, viser partikelnaturen.

Tværtimod, da forskerne indsatte den anden BS, den enkelte foton rejste langs begge arme, udstiller bølgenaturen. Imidlertid, i REIN, den første BS deler den enkelte foton i to underbølger, der bevæger sig langs de to arme, om den anden BS er indsat eller ej. Det er, fotonet i et MZI er et udvidet og adskilt objekt, der eksisterer samtidigt på begge arme. I denne fortolkning, hvis den anden BS er fraværende, de to sub-bølger er rettet, henholdsvis, til de to detektorer, og med en sandsynlighed uafhængig af deres relative fase, målingen kollapser dem til et klik i en detektor. Dette er partikelkarakteren af ​​den enkelte foton.

Desuden, tilstedeværelsen af ​​den anden BS kan få de to sub-bølger til at forstyrre og, i stedet, to resulterende sub-bølger dirigeres til de to detektorer. Den enkelte foton eksisterer i form af de to resulterende delbølger. Som en konsekvens, målingen kollapser de resulterende sub-bølger til et klik i en detektor, med en faseafhængig sandsynlighed. Dette er den enkelte fotones bølgetype. I modsætning til den traditionelle fortolkning, REIN viser, at der ikke er nogen forskel mellem en enkelt foton i et lukket MZI og en foton i en åben, før de ankommer til den anden BS.

For at understøtte denne idé, forskerne implementerer også et møde-forsinket valg (EDC) eksperiment. I forsøget, den anden BS indsættes eller ej, når de to underbølger, der rejser samtidigt langs MZI's to arme, støder på, som vist i fig. 1 (a). Det er forskelligt fra tidligere (eller kvante) forsinkede valgforsøg, hvor beslutningen træffes, før mødet finder sted. I EDC -sagen delene, underlagt den anden BS, af to-sub-bølgerne, vil forstyrre, og deres former ændres i henhold til den relative fase. Men de resterende dele, ikke omfattet af den anden BS, vil ikke blande sig, forlader deres former uændret. Den enkelte foton kan derfor opdeles i to dele, en viser bølgenaturen og en viser partikelnaturen. Tilsvarende som afbildet i fig. 1 (b), underbølgerne, der forlader MZI, kan opdeles i to dele, den ene fra bølgenaturen og den anden fra partikelnaturen. Bemærk, at fig. 1 (b) viser et specielt tilfælde, hvor to-sub-bølgerne inde i MZI er i fase. De eksperimentelle data i artiklen er i god overensstemmelse med forudsigelsen af ​​REIN, indebærer, at REIN -ideen er stærkt understøttet.

"Denne vanskelighed er relevant for vores stædige forestilling om en stiv partikel af mikroskopisk objekt for et kvanteobjekt, som navnet, 'kvantepartikel', foreslår, "forskerne skriver." Hvis vi antager den opfattelse, at kvanteobjektet eksisterer i form af bølgefunktionen, det er lettere at forstå denne formændring. "