突破不確定原理的限制！劍橋博士生證明追蹤量子軌跡的新方法

導語：量子理論的基本原理之一是量子具有波粒二象性，既可以視為波也可以視為粒子。但是，它們在被測量之前是不定的，這使得我們在不觀察量子的前提下，是不可能識別或追蹤量子的。但最近，物理學家們正在攻克這個難題，並證明了追蹤未被觀測的量子粒子並非異想天開。

圖|粒子的神秘運動軌跡

本項研究的第一作者、劍橋大學的卡文迪什實驗室博士在讀生David Arvidsson-Shukur，對一個被稱為「波函數」的物理學假設抱有強烈興趣。雖然波函數似乎包含了大量有關量子方面的信息，但目前它更主要的用途是用作數學工具，而並非作為一種實際量子粒子的表示方法。在新聞稿中，Arvidsson-Shukur如是解釋道。「這就是為什麼我們要接受挑戰：去創造一種追蹤量子粒子神秘運動方式的新方法。」

在《物理評論A》雜誌上發表的這項新研究中，來自劍橋大學的研究人員已經證明了，通過檢測量子物體與其周圍環境的相互作用而不是測量物體本身的方式，科學家們可以成功跟蹤到未被觀測的量子粒子。

圖|來源： Robert Couse-Baker

隨著粒子的移動，它們會「標記」自身所處的環境。 每個「標記」，或者說與環境的交互作用，都會對粒子中的信息進行編碼。 因此，Arvidsson-Shukur和他的同事開發了一種新方法來為我們呈現這些「標記」顯示出的相互作用，而不用直接觀察量子粒子。

而在追蹤這些「標記」時，研究人員發現，觀察到粒子後，他們可以在實驗結束時解碼這些來自於粒子的信息。這將使科學家們得以跟隨、還原量子粒子的運動，從而讓他們更深入地了解量子的運動方式。

這種跟蹤未觀測的量子粒子的新方法可以讓科學家們測試量子力學中一些舊的假說。這其中就包括「一個粒子可以同時存在於兩個位置」，亦或「心靈感應可以在兩人之間不藉助任何粒子而實現傳遞」這樣的猜測。所以，這項研究不僅可以證明一些曾經不被看好的假說，還可以讓研究人員驗證心靈感應的真實與否。

但也許更為重要的是：這個實驗擴展了物理學家對波粒子的理解。在以前，波粒子只是被用作一種預測量子實驗結果的抽象計算工具。但在本項研究中，研究人員發現，在每個「標記」相互作用之後，被編碼到各個量子粒子中的信息是與波函數直接相關的。

Arvidsson-Shukur在新聞稿中解釋說：「我們的研究結果表明了波函數與粒子的實際狀態密切相關。所以，我們已經能夠探索量子力學的『禁區』了：在未觀察的情況下，就能把量子粒子的行動軌跡固定下來。」

量子概念自1900年普朗克首先提出的，到今天已經一百一十多年了。期間，經過玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克等眾多物理大師的創新努力，已經建立了一套完整的量子力學理論。而如今，這項研究可以作為實驗支持，去幫助科學家們理解複雜的量子行為，量子物理的新突破或許就在明天。

編輯 | 褚茗帆

審校 | 星亦

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