在量子力学中，有一个经典的实验能完美的凸显出量子世界的奇异二象性，那就是双缝实验。但是，它可能要比我们想象中的更加怪异，或许能够挑战量子力学的基本假设之一。
对双缝实验的重新考量可以帮助物理学家统一物理学中的两大基石：支配微观世界的量子力学和统治大尺度的广义相对论。这样一种统一的理论被称为量子引力，这是物理学家面临最棘手的大问题。
双缝实验的设置很简单：把一束光打向一面有双缝的屏幕，在双缝后面还有个探测屏幕。从光是粒子的角度看，组成光的光子会通过其中一条缝，因此在屏幕后面会看到两条并排堆积而成的光子：
但显示显然没有这么简单，在实验中我们真正观测到的是明暗条纹的分布，这就是所谓的干涉图案。
之所以会这样，是因为光表现的同时像波和粒子，这就是所谓的波粒二象性。在《量子力学的核心——薛定谔方程》中我们有更多的探讨。物理学家费恩曼曾说过，这个实验体现了量子世界的“核心谜题”。
所有学过量子力学的学生都应该知道怎么计算双缝实验的干涉条纹。如果要计算一个光子到达屏幕的某一个点的概率，物理学家则需要用到“波恩定则”。其数学表达式也很简单，如果一个量子物体用波函数 Ψ(r , t)表示，在时间 t，位置 r 探测到它的概率密度为波函数的绝对平方：
但问题在于，波恩定则为什么适用并没有根本的原因。在所有情况下它都适用，我们也在实验中严格的验证了该定则，但没有人知道为什么。有些物理学家尝试从量子力学的“
多世界诠释”来推导它，在该诠释中，量子系统包含了所有可能的状态，存在于不同的平行宇宙之中，但是该尝试还没有定论。
这使波恩定则成为寻找量子力学裂缝的杀手锏。为了统一量子力学和广义相对，其中一个理论必须让步。如果波恩定则被违反了，就意味着量子力学的基本公里之一就被违反了，那么我们就找到了一条通往量子引力的路。
西班牙巴萨罗那科技研究中心的James Quach想到了一个新的方法可以试验波恩定则。他的想法是基于费恩曼的一个想法：为了计算粒子到达屏幕特定地点的概率，我们必须考虑所有可能的路径，即使有些路径看起来非常荒谬，例如从出发点到月球再返回到屏幕特定地点的路径。
费曼发展出来的路径积分。这里只显示了从A到B的三条可能路径。（© Wikipedia）
没有任何一条路径可以影响光子的最终落脚处，但有一些奇怪的路径或许可以足够的改变概率，使我们能够测量这之间的不同。
举个例子，粒子有三条路径可以通过装置，而不是最简单的两条。波恩定则允许你计算两条路径之间干涉的概率，但不是三条之间的。Quach在他的论文中表明，如果你考虑到三条路径之间的干涉，其概率就会跟波恩定则所预测的不同。
他建议在双缝实验中允许粒子有第三条路径，一个之字型的路径。粒子先通过其中一个缝，再到另一个，然后到达探测屏幕上。如果这第三条路径跟其他两条更直接的路径发生干涉，结果就会跟波恩定则的不一样。
Quach的理想实验。上图：粒子的第三条路径，先通过缝A（0, d/2），再到缝B（0, -d/2），接着到达屏幕。在这个实验中，我们有两个不同类型的探测器，一个探测粒子通过缝A或B，另一个则探测一个粒子是通过一条缝或者是两条缝，但我们不知道它确切通过哪条缝。在下图中，放在缝中的球代表探测器。如果球放在缝A（图b），当一个粒子通过的A的时候，球就会掉在托盘里。通过托盘中有没有球我们就知道粒子通过了哪条缝，托盘可以认为是信号放大器。在另一个探测器，在两个缝中都放置了两个球，但不可区分。在这个情况，通过观察托盘是一个球或者是两个球就可以知道粒子是通过一条缝或者是两条缝。（© Quach）
Quach的理想实验很有趣以及发人深省，但如果再考虑多其它的路径实验或许就会失败。虽然风险很高，但找到波恩定则被违反的证据，是我们通向理解更基本现实的第一步。
参考文献：
https://arxiv.org/pdf/1610.06401v1.pdf
发表于 2017-7-9 02:57
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