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中微子实验打碎传统认知
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

主注入器中微子振荡实验探测器。 图片来源:R. Hahn/Fermilab

来自一项中微子大型实验的数据显示,这种“神出鬼没”的亚原子必定同时是两种相互排斥的类型,这打破了人们对现实的感知。这一结论也是量子力学的基本原理。而这些理论通常是由高度受控的量子光学实验揭示的,而非无法探测的中微子。

“如果你10年前告诉我,我们将能使用中微子研究量子论原理。我会说吸烟让你兴奋过头了。”未参与该研究的澳大利亚昆士兰大学物理学家Andrew White说,“这一结论完全不令人惊讶,但绝对有吸引力。因为它告诉人们有验证量子论原理的新系统。”

根据量子论,极小的事物表现得一点都不像日常物品:与苹果不同,一个亚原子粒子可以同时在两个地方或表现出两种不同的类型。但这些双向“叠加”态是脆弱的。Measure表示,一个光子能同时在水平和垂直两个方向发生偏振,而且它也会在一个方向随机“崩塌”。

此外,量子论还指出,光子的偏振并不存在,直到对其进行测量。但阿尔伯特·爱因斯坦摒弃了该理论,他认为物体的物理性质必须是“一个真实的元素”,存在于测量研究之外。为了拯救“现实论”,一些物理学家认为上述测量研究的结果被光子内部的一些“隐变量”所决定。

1964年,英国物理学家约翰·贝尔提出了一种检验方法,可以区分出粒子行为到底是符合爱因斯坦的隐藏变量理论,还是处于量子力学的“幽灵作用”中。他计算发现,隐藏变量所能解释的相关性有一个最大值。如果超过了这个值,爱因斯坦的模型就一定是错误的。贝尔不等式的诞生,宣告了量子理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

去年,荷兰和美国物理学家进行了第一个可以同时解决“探测漏洞”和“通信漏洞”的贝尔实验。该团队使用了一种称为“纠缠交换”的巧妙技术,可以将光子与物质粒子的优点结合在一起。在9天内,该小组总共产生了245对互相纠缠的电子,最终测量结果表明两个电子之间的相关性超过了贝尔极限,再一次支持了标准量子力学的观点。这也似乎宣告隐变量理论出局。

实际上,1985年,现供职于美国西北大学的理论学家Anupam Garg和伊利诺伊大学的Anthony Leggett就提出了一条完全不同的解决途径:与其尝试“验证”量子理论,不如设法证明量子理论以外的所有解释都与实验观测相矛盾,因而排除它们。Leggett和Garg发现在不同时刻对同一物体的测量只能在一定程度上具有统计学的相关性,并创立“莱格特-加格不等式”。

2011年,White和同事证实量子光子具有高强度相关性,尽管只是在平均值上,而且并非使用单光子。现在,麻省理工学院中微子物理学家Joseph Formaggio研究团队使用费米国立加速器实验室主注入器中微子振荡(MINOS)实验数据提供了证据。该实验让谬子中微子的束流穿过位于费米实验室的MINOS近程探测器,然后到450英里以外位于明尼苏达州的远程探测器。

中微子出现了3种类型。从费米实验室出发的是谬子中微子,在途中主要震荡成电子中微子。MINOS并没有反复测量单个中微子,但每种中微子始于相同的状态,只是随着离开费米实验室的时间发生演变。

MINOS没有测量距费米实验室不同距离的中微子,因此Formaggio等人无法直接将这与不同飞行时间所得的测量值进行对比。因此,该研究组分析了以不同能量到达明尼苏达州的谬子中微子数量的等值相关性。

研究人员观察到了Leggett和Garg预测的强相关性,并于近日将相关成果发表于《物理评论快报》。“正如我们所料,有很明显的效果。”Formaggio说,该数据强调中微子没有“种类”直到它被实际测量出来。

Garg表示,这一结论并不令人惊讶,正如中微子振荡是量子力学的固有机制。但他还指出,探索量子论和经典世界的冲突是一个新领域。

Formaggio和White表示,下一步,研究人员将确定中微子能否以另外一种方式检验量子论。Garg还希望有人能推动他与Leggett提出的原始理论:“宏观实在论”,即足够大的物体在同一时间只能在同一个位置(即宏观叠加态不可能存在);人们可以准确测定这一物体的位置,而不会干扰它。

无论如何,正如澳大利亚昆士兰大学物理学家Alessandro Fedrizzi提到的那样,到底什么才是真正的事实?而真正令人激动的是设计出检验事实上是否有任何客观实体存在的测试。(张章)