在我们的印象中,神秘的量子力学似乎很难与肉眼观测联系起来,更不用说是普通的大学物理实验了。然而,一群科学家正尝试通过双缝干涉实验,让观测者用肉眼验证量子叠加态。更令人激动的是,他们的实验还可能为量子力学的一个核心问题——测量问题找出答案。
Paul Kwiat要求志愿者们坐在一间黑暗的小屋里。
在他们的眼睛逐渐适应黑暗环境时,每一位志愿者就像验光时一样,将头支撑在一个支架上,用一只眼睛盯着一个很暗的红十字看。在十字的两边各有一根光纤,可以将单个光子从十字左边或右边射入志愿者的眼中。Kwiat是伊利诺伊大学香槟分校的实验量子物理学家,在验证了人眼探测单个光子的能力后,他和同事有着更高的目标:根据他们上个月在预印本网站arXiv上提交的论文,他们想要用人眼去验证量子力学的基本假设。
他们并不是简单地将一个光子通过左边或者右边的光纤送入志愿者眼中,而是输送一个同时处于左边和右边的量子叠加态的光子。人们会看到什么不一样的现象吗?根据标准量子力学,答案应该是“不能”。但迄今为止,还没有人做过这类测试。如果Kwiat团队的最终结果和理论预言不同,就会动摇我们对量子世界的现有理解,人们也将尝试通过一些其他理论来解释量子力学。
这些理论对自然的看法与现有的完全不同,它们预言现实的存在与观测行为和观测者无关。
为了探究人眼是否能直接观测到单个光子,近一个世纪的物理学家做了大量努力。1941年,哥伦比亚大学的研究人员在Science上发文称,即使一束光中只有五个光子落在视网膜上,人眼也能看到。30多年后,当时在加州大学伯克利分校的生物物理学家Barbara Sakitt通过实验似乎验证了人眼可以看见单个光子。
不过,这些实验远远不能给出确定的结果。Holmes说:“这些实验的问题在于它们都试图使用‘经典’光源”,但我们无法确定经典光源发出的到底是不是单个光子。也就是说,我们甚至不能保证那些早期实验都只用了单个光子。
Kwiat团队对这个结果有些怀疑,他们想要用更多志愿者、做更多实验以提高数据的确信度。他们担心的核心问题是眼睛探测光子时的低效。
入射光子必须首先经过眼球最外面一层透明的角膜,这会反射掉一部分光。接下来光子进入晶状体,晶状体和角膜共同将光汇聚在眼球后部的视网膜上。而在视网膜和晶状体之间,凝胶状的玻璃体也会吸收或散射光子。最终,抵达角膜的光子中,只有不到10%能出现在视网膜上的视杆细胞中,进而产生神经信号,神经信号传送到大脑就形成了视觉。所以,得到可以在统计学上排除偶然性的显著性差异,是一项令人生畏的挑战。
物理学家用一种叫做波函数的数学抽象概念来描述光子的量子态。在叠加态的光子打在视网膜上之前,波函数会弥散出去,这时光子在左边和右边被发现的概率相同。光子和视觉系统的作用是一种观测,而人们认为观测会使波函数“坍缩”,于是光子最终会处于其中任意一边,就像抛出去的硬币最终朝上的会是正反面中的任意一面。当人眼接收到叠加态的光子时,出现在左右两侧的光子数目会有差异吗?
Kwiat说:“如果你相信量子力学,那就没什么区别。”但是如果他们的实验发现了无法驳斥的显著性差异,那就说明量子力学一定存在什么问题。他补充说:“这将会是一个大发现,一个惊天动地的结果。”
一些候选理论通过使坍缩完全独立于观测者和测量仪器,来解决这个潜在问题。例如“GRW”坍缩模型(以理论物理学家Giancarlo Ghirardi,Alberto Rimini和Tullio Weber命名)。
GRW模型及其变型都假设波函数是自发坍缩的。处于叠加态的物体质量越大,坍缩就越快。这个理论的结果之一是,单个粒子可以无限长时间地处于叠加态,但是宏观物体就不行。所以,在GRW理论中,著名的薛定谔的猫是无法处于活与死的叠加态的。像GRW这样的理论被称为“无关观测者”的现实模型。
Robert Prevedel在2016年是Vaziri研究团队中的一员,现在在德国的欧洲分子生物学实验室工作。
他更感兴趣的是在一系列事件中找出波函数坍缩的具体位置。坍缩是发生在最初光子打到视杆细胞上时?还是在神经信号产生和传递的中间过程中出现?或者是最后信号使人产生视觉时?他提议将视网膜提取出来,再向其发射处于叠加态的光子,记录不同阶段的视觉处理过程(比如记录视杆细胞,或是组成视网膜的其他感光细胞的信息)来看看叠加态到底持续多久。Prevedel认为视杆细胞对光的吸收会使得叠加态消失。
但是他说:“如果我们看到量子(叠加态)存在于光子接触视杆细胞后的任何一个阶段,不论是在视网膜内不同细胞层中,还是在之后的神经回路中,都将是真正的突破。这将是一个非常惊人的发现。”