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，我們對現實的直覺觀點不再適用。這幾乎就像物理學從根本上是優柔寡斷的，當我們放大使我們的大學像素化的粒子時，這一事實變得越來越難以忽視。

為了更好地理解它，物理學家不得不設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建塊的“經典”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家同伴，“你真的相信嗎月亮當你不看它的時候，它就不在那里嗎？

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

現在，一項新的研究也確定，答案是一個大胖子。

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

該測試基于一個稱為Leggett-Garg不等式，它指出一個系統始終確定地處于它可用的一種或另一種狀態中。基本上，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，而我們的測量結果不會影響。

宏觀系統——那些我們可以僅使用經典物理學就能可靠地理解的系統——遵循Leggett-Garg不等式。但是量子領域的系統違反了它。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獎，”物理學家伊麗莎白·克魯茲格魯伯（Elisabeth Kreuzgruber）說維也納工業大學。

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

中子干涉儀涉及向目標發射一束中子。當光束穿過設備時，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上進行測量可以有效地給出兩個結果。將來再次測量它，這些結果將是相關的，但只能達到某個點。

對于量子系統，Leggett 和 Garg 定理不再適用，允許相關性高于此閾值。實際上，這將為研究人員提供一種方法來區分系統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，”物理學家理查德·瓦格納（Richard Wagner）說維也納工業大學。“如果我們想測試宏觀現實主義，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。”

為了實現這一點，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，”物理學家尼爾斯·吉里茨（Niels Geerits）說維也納科技大學。“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，這些測量值的相關性太緊密，以至于宏觀現實的經典規則無法發揮作用。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，”物理學家斯蒂芬·斯波納爾（Stephan Sponar）說維也納工業大學。“無論你提出哪種經典的、宏觀現實的理論：它永遠無法解釋現實。沒有量子物理學，它就行不通。

該研究已發表在物理評論快報.

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