在一个经典系统中，重现奇异的量子行为

在日常的经典世界中，我们所看到的一个球，它就是一个球，当它在空中盘旋时，它的轨迹是直接而清晰的。但如果这个球缩小到一个原子甚至更小的尺度，它的行为就会变成一个模糊的量子现实。这时，这个球不仅是一个物理粒子，还是一个可能的粒子状态的波。

这种波粒二象性会产生一些奇怪的现象。其中，一种被称为“量子炸弹测试仪”的思想实验就是一个典型的例子。这个实验提出，量子粒子（如光子）可以作为一种“隔空传动”的炸弹探测器，它意味着，在理论上，光子的波粒特性使得它可以在不与炸弹发生物理性接触的情况下，感应到炸弹的存在。

在一篇新发表于《物理评论A》的论文中，麻省理工学院的一个数学家团队报告了在一项研究弹跳微滴的实验中，创建了一个量子炸弹测试仪的模拟，并产生了与思想实验所预测的相一致的行为。

  制造波  

1927年，物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出了导航波理论（pilot wave theory），这是一个至今仍有争议的理论，它提出粒子的量子行为不是由可能状态的统计波决定的，而是由它自己制造的物理“导航”波决定的，是这些导航波引导着粒子穿过空间。

这一观点在很长一段时间都不被受重视了，直到2005年，物理学家Yves Couder发现德布罗意的量子波可以在一个经典的基于流体的实验中被复制和研究。这个装置涉及到一个液体浴，它能微妙而隐蔽地上下振动，但不足以产生波。然后，一个毫米大小的由相同液体构成的微滴，被滴入液体浴中。当微滴在表面反弹时，它与液体浴的振动产生共鸣，形成驻波场，推动着微滴前进。其效果是一个微滴就像是沿着一个波纹表面行走，而波纹的模式与德布罗意的导波理论一致。

在过去十多年里，这项新研究的作者一直致力于完善和扩展Couder的流体动力学导航波实验，并成功地用这一装置观察了表现出涌现的、像量子一样的行为的微滴。事实证明，这个流体动力导航波实验展示了量子系统的许多特征，这些特征曾经都被认为是无法从经典世界的角度来加以诠释的。

  途中的炸弹  

在新研究中，研究人员将目光投向了量子炸弹测试仪。这个思想实验始于一个概念性的干涉仪，简单来说，这个干涉仪具有两条长度相同的通道，它们从相同的起点开始分叉，然后转弯并再次汇聚，形成一个菱形结构。接着，每条通道继续延长，然后各自以一个探测器为终点。

有着菱形结构的干涉仪。（图/Frumkin et al）

根据量子力学，如果一个光子从干涉仪的起点发射，通过一个分束器，粒子应该以相同的概率沿着两条通道中的一条行进。与此同时，光子的神秘的“波函数”，或者说它的所有的可能状态的总和，则会同时沿两条通道行进。波函数会以这样一种方式进行干涉，即它会确保粒子只出现在一个探测器（D1）上，而不会出现在另一个探测器（D2）上。因此，无论光子穿过哪个通道，它都应该100%在D1处被探测到。

如果这两个通道中有一个有炸弹，那么当一个光子沿着这条通道行进时，就会触发炸弹，整个装置就会被炸成碎片，使得两个探测器都探测不到光子。但是，如果光子在没有炸弹的通道下行进，就会发生奇怪的事：在沿着两条通道传播时，光子的波函数在一条通道上被炸弹缩短了。

因为它不完全是粒子，所以炸弹不会被波引爆。但是波的干涉会因此发生改变，使得粒子在D1和D2处被探测到的概率相等。因此，在D2上出现的任何信号，都意味着光子在没有与炸弹发生物理性交互的情况下探测到了炸弹的存在。如果炸弹出现的概率是50%，那么这种奇怪的量子炸弹探测出现的概率应该是25%。

  量子炸弹测试仪的模拟  

在这项新研究中，为了了解这种量子行为是否会出现在经典的液滴中，研究人员创建了一个类似的实验。他们将一个类似于思想实验中菱形通道的结构浸入硅油浴中，然后将微小的油滴滴入硅油浴，并追踪油滴的路径。他们在菱形的一侧添加了一个模拟炸弹的物体，并观察了油滴及其波动模式会如何变化。

研究追踪了油滴在一个受“量子炸弹测试”启发的结构中反弹的过程。图中显示了“炸弹”存在时油滴的轨迹，右图显示了“炸弹”不存在时油滴的轨迹。（图/Frumkin et al）

他们发现，在没有“炸弹”的情况下，有25%概率油滴会在通道上反弹，而它的导航波与炸弹会以一种使油滴远离炸弹的方式相互作用。这意味着，油滴能够“感知”到这个类似炸弹的物体，且无需与它发生物理性接触。虽然油滴表现出了类似量子的行为，但研究人员可以清楚地看到，这种行为是从液滴的波中产生的，这在物理上有助于使液滴远离炸弹。

这表明，微滴与自身的波的相互作用，类似于光子的量子波粒行为。这二者拥有相同的统计数据表明，微滴的经典动力学中的某些东西，可能是光子的神秘量子行为的核心。

当一个“炸弹”被放置在干涉仪的一条通道上，微滴在另一条通道上弹跳，微滴的波会因为炸弹而泛起涟漪，导致微滴改变方向，转向别处。这种效果就好像微滴“感应到”了炸弹，但却没有与它发生物理性交互。这种经典效应与“量子炸弹试验”中预测的结果相似。（图/Frumkin et al）

研究人员表示，这项研究可以被视为连接可观测的经典世界与更模糊的量子领域的一座桥梁。这个系统是目前已知的唯一一个不是量子系统，但却具有某些强波粒特性的例子。这非常令人惊讶，它表明一些被认为是量子世界特有的奇异现象，也可以通过经典系统重现。

#创作团队：

编译：小雨

排版：雯雯

#参考来源：

https://news.mit.edu/2023/mit-researchers-observe-hallmark-quantum-behavior-1212

https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/153144/2306.13590.pdf?sequence=1&isAllowed=y

#图片来源：

封面图&首图：Frumkin et al