量子粒子可以以叠加态存在，这挑战了经典的现实主义。莱格特-加格不等式验证了这一点，维也纳理工大学的中子实验证实了它的违反，支持了量子理论。
大自然真的像量子理论所说的那样奇怪吗?或者有更简单的解释吗?中子测量证明:如果没有量子理论的奇异特性，它是行不通的。
量子理论允许粒子以叠加态存在，这违背了经典的现实主义。莱格特-加格不等式通过比较量子行为与经典预期来验证这一点。维也纳理工大学最近的中子束实验证实了粒子确实违反了这种不平等，强化了量子理论相对于经典解释的有效性。
量子叠加:粒子能同时出现在两个地方吗?
一个粒子能同时出现在两个不同的地方吗?在量子物理学中，它可以:量子理论允许物体同时处于不同的状态——或者更准确地说:处于叠加状态，结合不同的可观察状态。但事实真的是这样吗?也许这个粒子实际上处于一个非常特定的状态，在一个非常特定的位置，只是我们不知道?
量子物体的行为是否可以用一个简单的、更经典的理论来描述，这个问题已经讨论了几十年。1985年，有人提出了一种测量方法:所谓的“莱格特-加格不等式”。任何没有量子理论的奇异叠加态来描述我们的世界的理论都必须服从这个不等式。另一方面，量子理论违背了它。在维也纳理工大学，用中子进行的测量首次验证了这个“莱格特-加格不等式”，得到了一个明确的结果:莱格特-加格不等式被违反了，经典解释是不可能的，量子理论获胜了。研究结果现已发表在《物理评论快报》杂志上。
中子干涉测量中理想负测量对Leggett-Garg不等式的破坏。来源:TU Wien
探索物理现实主义
我们通常假设每个物体都有一定的属性:一个球在一定的位置，它有一定的速度，也许还有一定的旋转。我们是否观察球并不重要。它的这些特性是客观的，独立于我们。“这种观点被称为‘现实主义’，”维也纳理工大学原子研究所的Stephan Sponar说。
我们从日常经验中知道，特别是大的、宏观的物体必须遵守这一规律。我们还知道，肉眼可见的物体可以在不受显著影响的情况下被观察到。测量不会从根本上改变状态。这些假设统称为“宏观现实主义”。
量子理论与宏观实在论
然而，我们今天所知道的量子理论违背了这种宏观实在性。如果一个量子粒子可能有不同的状态，例如不同的位置、速度或能量值，那么这些状态的任何组合也是可能的。至少只要这个状态不被测量。在测量期间，叠加态被破坏:测量迫使粒子决定支持其中一个可能的值。
然而，量子世界必须在逻辑上与宏观世界相连——毕竟，大的东西是由小的量子粒子组成的。原则上，量子理论的规则应该适用于一切事物。
所以问题是:有没有可能观察到“大”物体的行为，而这些行为与我们对宏观现实主义的直观印象不一致?宏观的事物也能显示出量子特性的清晰迹象吗?
理解莱格特-加格不等式
1985年，物理学家安东尼·詹姆斯·莱格特(Anthony James Leggett)和阿努帕姆·加格(Anupam Garg)发表了一个可以用来检验宏观现实主义的公式:莱格特-加格不等式。该论文的第一作者伊丽莎白·克罗伊茨格鲁伯(Elisabeth Kreuzgruber)说:“它背后的思想与更著名的贝尔不等式(Bell’s inequality)相似，后者在2022年获得了诺贝尔物理学奖。”然而，贝尔不等式是关于一个粒子的行为与另一个量子纠缠粒子的关系有多强的问题。莱格特-加格不等式只涉及一个物体它提出的问题是它在特定时间点的状态与同一物体在其他特定时间点的状态有何关系
Stro比经典物理学允许的更大的相关性
莱格特和加格假设一个物体可以在三个不同的时间测量，每次测量都有两个不同的结果。即使我们完全不知道这个物体的状态是否或如何随着时间的推移而变化，我们仍然可以统计分析不同时间点的结果彼此之间的相关性有多强。
可以用数学方法表明，这些相关性的强度永远不会超过某个水平——假设宏观现实主义是正确的。莱格特和加格建立了一个不等式，无论理论的任何细节如何，每个宏观现实理论都必须满足这个不等式。
然而，如果物体遵循量子理论的规则，那么在三个不同时间点的测量结果之间必须有明显更强的统计相关性。根据莱格特和加格的说法，如果一个物体在两次测量之间实际上处于不同的状态，那么这必然会导致三次测量之间更强的相关性。
中子束:厘米大小的量子物体
“然而，通过实验来研究这个问题并不是那么容易，”理查德·瓦格纳说。“如果我们想测试宏观现实主义，那么我们需要一个在某种意义上是宏观的物体，也就是说，它的大小与我们日常生活中常见物体的大小相当。”然而，与此同时，它必须是一个有机会仍然表现出量子特性的物体。
“中子束，当我们在中子干涉仪中使用它们时，是完美的，”在格勒诺布尔的劳厄-朗格万研究所(ILL)负责S18仪器的哈特穆特·勒梅尔说，该实验是在那里进行的。中子干涉仪是20世纪70年代初在维也纳工业大学原子研究所首次成功使用的硅完美晶体干涉仪，入射的中子束在第一块晶体板上被分成两个部分光束，然后被另一块硅重新组合。因此，中子可以通过两种不同的方式从源传播到探测器。
“量子理论认为，每一个中子同时在两条路径上运动，”尼尔斯·吉里茨说。“然而，这两束偏梁相距几厘米。从某种意义上说，我们正在处理一个以量子标准衡量巨大的量子物体。”
中子违反莱格特-加格不等式
利用几个中子测量的复杂组合，维也纳理工大学的研究小组能够测试莱格特-加格不等式——结果很清楚:不等式被打破了。中子的行为方式是任何可以想象的宏观现实理论都无法解释的。它们实际上同时在两条路径上运动，它们同时位于不同的地方，相距几厘米。“也许中子只在两条路径中的一条上运动，我们只是不知道是哪一条”的想法因此被驳斥了。
“我们的实验表明:大自然真的像量子理论所说的那样奇怪，”斯蒂芬·斯庞帕尔说。“无论你提出哪种经典的宏观现实主义理论，它都永远无法解释现实。没有量子物理就行不通。”
参考文献:“中子干涉测量中使用理想负测量违反Leggett-Garg不等式”，作者:Elisabeth Kreuzgruber, Richard Wagner, Niels Geerits, Hartmut Lemmel和Stephan Sponar, 2024年6月24日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.260201
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