中子的奇怪運動證明自然界從根本上是奇怪的

在最小的尺度上，我們對現(xiàn)實的直覺觀點不再適用。這幾乎就像物理學(xué)從根本上是優(yōu)柔寡斷的，當(dāng)我們放大使我們的大學(xué)像素化的粒子時，這一事實變得越來越難以忽視。

為了更好地理解它，物理學(xué)家不得不設(shè)計出一種全新的框架把它放在里面，一個基于概率而不是確定性的東西。這是量子理論，它描述了各種各樣的現(xiàn)象，從糾纏到疊加。

然而，盡管一個世紀的實驗表明，量子理論在解釋我們所看到的方面有多么有用，但很難動搖我們對宇宙構(gòu)建塊的“經(jīng)典”觀點，即宇宙的組成部分是時間和空間的可靠固定裝置。甚至愛因斯坦是被迫的問他的物理學(xué)家同伴，“你真的相信嗎月亮當(dāng)你不看它的時候，它就不在那里嗎？

幾十年來，許多物理學(xué)家一直在問，我們用來描述宏觀經(jīng)驗的物理學(xué)是否也可以用來解釋所有的量子物理學(xué)。

現(xiàn)在，一項新的研究也確定，答案是一個大胖子。

具體來說，中子在光束中發(fā)射中子干涉儀可以同時存在于兩個地方，這在經(jīng)典物理學(xué)下是不可能的。

該測試基于一個稱為Leggett-Garg不等式，它指出一個系統(tǒng)始終確定地處于它可用的一種或另一種狀態(tài)中?；旧?，薛定諤的貓要么是活著的，要么是死的，我們能夠確定它處于哪種狀態(tài)，而我們的測量結(jié)果不會影響。

宏觀系統(tǒng)——那些我們可以僅使用經(jīng)典物理學(xué)就能可靠地理解的系統(tǒng)——遵循Leggett-Garg不等式。但是量子領(lǐng)域的系統(tǒng)違反了它。貓既活著又死了，這是量子疊加的類比。

“它背后的想法與更著名的相似貝爾不等式，為此于 2022 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，”物理學(xué)家伊麗莎白·克魯茲格魯伯（Elisabeth Kreuzgruber）說維也納工業(yè)大學(xué)。

“然而，貝爾不等式是關(guān)于一個粒子的行為與另一個量子糾纏粒子的相關(guān)性有多強的問題。Leggett-Garg不等式只與一個單一物體有關(guān)，并提出了一個問題：它在特定時間點的狀態(tài)與同一物體在其他特定時間點的狀態(tài)有何關(guān)系？

中子干涉儀涉及向目標發(fā)射一束中子。當(dāng)光束穿過設(shè)備時，它會一分為二，光束的每個插腳都行進不同的路徑，直到它們后來重新組合。

Leggett 和 Garg 定理指出，在簡單的二進制系統(tǒng)上進行測量可以有效地給出兩個結(jié)果。將來再次測量它，這些結(jié)果將是相關(guān)的，但只能達到某個點。

對于量子系統(tǒng)，Leggett 和 Garg 定理不再適用，允許相關(guān)性高于此閾值。實際上，這將為研究人員提供一種方法來區(qū)分系統(tǒng)是否需要量子定理才能被理解。

“然而，通過實驗來研究這個問題并不容易，”物理學(xué)家理查德·瓦格納（Richard Wagner）說維也納工業(yè)大學(xué)?！叭绻覀兿霚y試宏觀現(xiàn)實主義，那么我們需要一個在某種意義上是宏觀的物體，即其大小與我們通常的日常物體的大小相當(dāng)?！?/p>

為了實現(xiàn)這一點，干涉儀中中子束的兩部分之間的空間在一個比量子更宏觀的尺度上。

“量子理論說，每一個中子都同時在兩條路徑上行進，”物理學(xué)家尼爾斯·吉里茨（Niels Geerits）說維也納科技大學(xué)。“然而，兩根部分光束相距幾厘米。從某種意義上說，我們正在處理一個按照量子標準來說是巨大的量子物體。

研究人員使用幾種不同的測量方法，在不同時間探測了中子束。而且，可以肯定的是，這些測量值的相關(guān)性太緊密，以至于宏觀現(xiàn)實的經(jīng)典規(guī)則無法發(fā)揮作用。他們的測量表明，中子實際上同時在兩條不同的路徑上行進，相隔幾厘米的距離。

這只是一個最新的一長串的 Leggett-Garg 實驗這表明我們確實需要量子理論來描述我們生活的宇宙。

“我們的實驗表明：大自然真的像量子理論聲稱的那樣奇怪，”物理學(xué)家斯蒂芬·斯波納爾（Stephan Sponar）說維也納工業(yè)大學(xué)?！盁o論你提出哪種經(jīng)典的、宏觀現(xiàn)實的理論：它永遠無法解釋現(xiàn)實。沒有量子物理學(xué)，它就行不通。

該研究已發(fā)表在物理評論快報.

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