荷兰特温特大学研究团队最新发表的光子量子隧道实验结果，对玻姆量子力学这一经典物理理论提出了前所未有的挑战。这项研究声称首次设计出能够区分玻姆力学与哥本哈根诠释预测结果的实验，为长期以来被认为在经验上无法区分的量子力学理论提供了实验检验。

百年理论争议的实验突破

自20世纪量子力学诞生以来，关于量子世界本质的争论从未停息。以维尔纳·海森堡和尼尔斯·玻尔为代表的哥本哈根诠释认为，粒子在测量前不具有确定的性质，其行为完全由波函数描述，波函数的平方决定了测量时粒子处于特定状态的概率。

示意图：实验在两面镜子之间的染料填充腔体中进行。

底部镜面采用纳米结构设计，形成两个引导光线的波导。

在主波导中，通过激光照射荧光染料分子产生光子。

该波导形成一个斜坡，为光子提供势能。光子沿着斜坡传播，直到遇到一个台阶。

当它们隧穿进入台阶时，也会横向隧穿到次级波导中（倏逝波）。

光子在两个波导之间跳跃的速率被用来测量粒子在台阶中的速度。

（图片来源：《自然》杂志）

与此相对，大卫·玻姆和路易·德布罗意等物理学家提出的替代理论认为，粒子的性质由非局域的"引导方程"完全确定。在著名的双缝实验中，粒子并非同时通过两个狭缝并与自身干涉，而是通过其中一个狭缝，但通过每个狭缝的概率由引导方程的值决定。

尽管今天大多数物理学家拒绝接受玻姆力学，但两种诠释之间的差异主要是概念性的。美国新泽西州罗格斯大学数学物理学家谢尔登·戈德斯坦解释说："玻姆力学和正统量子力学在物理上绝对不等价——它们描述的世界发生的事情不同。但它们在经验上是等价的——对所有可能的实验都给出相同的预测和概率，这是一个令人震惊的事实。"

创新实验设计揭示理论差异

在这项新研究中，扬·克拉尔斯领导的团队声称设计出了一个两种诠释预测不同结果的测试——结果支持哥本哈根诠释。研究人员建立了两个并排的波导，当光脉冲通过其中一个波导时，光通过量子隧道效应泄漏到另一个波导中。通过了解耦合强度并测量量子隧道效应与距离的函数关系，他们能够推断光子的速度。

实验的关键创新在于在第一个波导中引入了势阶。由于这个势阶对光子来说过于巨大无法隧穿，光子主要被反射，但在势阶内部形成指数衰减的倏逝场。玻姆力学在粒子密度预测上与标准量子力学完全一致，但引导方程预测这些粒子的速度为零——而这个速度永远无法直接测量。

研究人员利用光子能量计算它们在势阶内的预期速度，并将其与两个波导之间的隧道率进行比较。结果发现，预期速度更高的粒子在隧穿到另一个波导之前传播得更远。克拉尔斯表示："我们将此解释为速度测量。当你将其解释为速度测量时，它给出的速度与基本引导方程不同。"

学术界的谨慎回应

然而，这一实验结果在学术界引发了激烈讨论。戈德斯坦对研究结论表示质疑："在玻姆力学理论中，势阶内的粒子处于静止状态，但对于他们给出的实验，玻姆速度与正确分析并不特别相关。无论他们做什么分析，如果他们声称基于薛定谔方程的分析能正确预测结果，那这就是玻姆力学的结论。"

加拿大多伦多大学实验物理学家埃弗拉伊姆·斯坦伯格同样对这项工作能够反驳玻姆力学持怀疑态度。他指出，研究人员仔细注意到测量是在平衡状态下进行的，因此势阶中的指数衰减是否可以解释为速度还需要学术界进一步讨论。

尽管如此，斯坦伯格对研究团队的创新性给予了认可："这个特定的实验给出了一个结果，即使在思考隧道时间20年后，我也不知道答案。量子力学中有些问题，比如'粒子在一个区域中停留多长时间？'在我们的经典思维中听起来应该只有一个答案，但实际上可能有多个答案。"

量子理论发展的新里程碑

这项发表在《自然》杂志上的研究代表了量子力学基础研究的重要进展。无论最终学术界如何评价这一实验的有效性，它都为长期以来被认为无法通过实验区分的量子力学诠释提供了新的思路和方法。

随着量子技术在计算、通信和传感等领域的快速发展，对量子力学基础理论的深入理解变得愈发重要。这种理论争议不仅关乎我们对微观世界的认知，也可能影响未来量子技术的发展方向。无论这项实验最终是否能够真正挑战玻姆力学，它都为量子物理学的发展注入了新的活力，推动着人类对自然界最基本规律的探索不断向前。

【新闻来源】人工智能学家 https://www.toutiao.com/article/7530183776408945179/?log_from=b46be9914a6758_1753343585605

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