愛因斯坦錯了：測量光子會影響其位置

新浪科技訊 北京時間4月7日消息，據國外媒體報導，量子力學是當今科學中接受實驗分析最多的理論之一，也是科學家試圖通過實驗證明愛因斯坦錯誤的為數不多的領域之一。近日，來自澳大利亞格裏菲斯大學和日本東京大學的研究團隊宣稱做到了這一點，他們的實驗顯示，測量的確會影響被測量粒子的位置。

關於這一奇特現象背后的“不確定性原理”，愛因斯坦早在20世紀20到30年代就表達了不支持的態度。他稱這是“鬼魅般的遠距作用”，即一個粒子可以同時在兩個地方出現，直到有人對這個粒子進行測量時，它才具有確定的位置，但是在這一過程中，似乎並沒有信號以超光速的速度傳輸給這個粒子。當這個粒子的位置確定時，物理學家稱之為該粒子的波函數坍縮。

這一現象超出了同時代科學家的物理學經驗，而且似乎與相對論相悖，后者認為光速是任何信息傳播速度的上限。愛因斯坦提出，這個粒子並不是處於疊加態，也不是同時出現在兩個地方，更可能的情況是它具有一個“真實”的位置，只是人們無法觀測到。

這一現象可以通過一個思想實驗來明。假設有一道光束被分離成兩半，一半發射到愛麗絲的實驗室，另一半發射到鮑勃的實驗室。然后，愛麗絲要指出是否探測到了光子，以及如果探測到的話光子處於什麼狀態——此時或許可以用波包(wave packet)來描述這個光子。在數學上，此時光子處於“疊加”(superposition)狀態，即它可以同時出現在兩個(或更多)地方。它的波函數似乎表明光子並沒有確定的位置。

格裏菲斯大學量子力學中心主任霍華德·懷斯曼(Howard Wiseman)：“愛麗絲的測量導致疊加態坍縮。”這意味在測量時光子存在於此處或別處，而不是在兩處同時出現。如果愛麗絲探測到一個光子，意味在鮑勃的實驗室裏，光子的量子態出現了坍縮，進入了零光子狀態；但如果愛麗絲並沒有探測到光子，那鮑勃這邊的光子就坍縮到單光子狀態。

在3月24日的《自然-通訊》(Nature Communications)雜誌上，懷斯曼等對這一實驗進行了描述。他：“你會覺得這一現象合理嗎？我覺得不會，因為愛因斯坦肯定不認為它合理。他認為這很瘋狂。”從描述上看，愛麗絲的測量似乎對鮑勃的觀測結果起支配作用。

這個悖論在提出來幾年之后得到了部分解答。有實驗顯示，盡管兩個量子粒子之間的相互作用瞬時發生的，即二者信息傳遞速度比光速還快，但還是沒有辦法利用這一現象來進行信息傳遞。

霍華德·懷斯曼主持了新的實驗，他和研究團隊的成員們希望能更進一步，揭示出波函數坍縮的過程——即愛麗絲“選擇”了測量並因此影響到了鮑勃的探測——是確實發生的。已經有其他實驗揭示出兩個粒子之間的糾纏狀態，但在這項新研究中，光子是和它自身糾纏在一起。

在實驗中，科學家發射的光子束經過一個分離器，一半的光傳遞出去到達一個實驗室，另一半則經過反射到達另一個實驗室(相當於前述思想實驗中的愛麗絲和鮑勃的實驗室)。光每一次的傳播都是以單個光子的形式，因此這個光子分成了兩個。在被測量之前，它以疊加態存在。

其中一個實驗室利用激光作為參照，對光子的相位進行測量。如果把光想象成一道重覆的正弦波，相位就是進行測量時的角度，從0到180度。當改變參照激光的角度時，就會得到對光子的不同測量結果：它或者處於某個特定的相位，或者根本就不會出現。

在另一個實驗室中，科學家對光子的測量結果與前一個實驗室出現了反相關性，即如果這邊觀測到了光子，那另一邊就觀測不到光子，反之亦然。后一個實驗室的光子狀態取決於前一個實驗室的測量結果；但是，在經典物理學中這種現象是不應該出現的，兩個粒子應該處於各自獨立的狀態。(任天)