內(nèi)布拉斯加州的赫爾曼·貝特拉安(Herman Batelaan)和同事最近提交了一篇研究論文，證明了“非牛頓量子力”的存在，其研究發(fā)表在《自然通訊》上。

畢竟，這個(gè)詞長(zhǎng)期以來(lái)一直屬于經(jīng)典的牛頓物理學(xué)：反作用力、電磁學(xué)、引力和其他解釋日常生活中令人頭暈?zāi)垦，F(xiàn)象的定律。相比之下，Batelaan和合著者是在量子物理學(xué)的背景下使用這個(gè)詞，量子物理學(xué)描述的是無(wú)窮小。

亞原子粒子的位置和速度是由概率而不是精確的值來(lái)定義。電子同時(shí)表現(xiàn)得像粒子和波，其他違反直覺(jué)的模糊性統(tǒng)治著這個(gè)領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域在1959年變得更加模糊，當(dāng)時(shí)提出的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，僅僅是接近經(jīng)典力（而不是力本身）就可以把自己強(qiáng)加于物理世界。在實(shí)驗(yàn)中，兩股電子流沿著線圈的任意一邊運(yùn)動(dòng)，線圈的磁場(chǎng)完全屏蔽了這些電子。盡管兩種電子流都沒(méi)有穿過(guò)實(shí)際的磁場(chǎng)，但研究人員斷定，電子的量子概率將發(fā)生可測(cè)量的變化，這取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種所謂的阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)存在。但是，如果這種奇怪效應(yīng)的存在是無(wú)可爭(zhēng)辯的，那么它的性質(zhì)就不是。安東·澤林格(Anton Zeilinger)是巴特拉安的博士后顧問(wèn)之一，他引入了一個(gè)定理，表明阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)并不代表或產(chǎn)生于力。到那時(shí)，貝特拉安等人隨后的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種效應(yīng)并沒(méi)有延遲電子到達(dá)的時(shí)間（這是一種力的作用）澤林格定理得到了廣泛的支持。然而，在澤林格提出他的定理數(shù)年后：

物理學(xué)家安德烈?謝蘭科夫(Andrei Shelankov)和邁克爾?貝里(Michael Berry)反駁了這一觀點(diǎn)，他們聲稱，阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)(Aharonov-Bohm effect)確實(shí)來(lái)自于力的量子當(dāng)量。即使這個(gè)力沒(méi)有減慢電子的速度，Shelankov預(yù)測(cè)它也可以通過(guò)使電子輕微偏轉(zhuǎn)來(lái)改變它們的飛行軌跡。內(nèi)布拉斯加州物理學(xué)和天文學(xué)教授貝特拉安(Batelaan)說(shuō)：你可以自己理解每種理論的推導(dǎo)過(guò)程。看起來(lái)都對(duì)，但它們之間有沖突，所以我們絞盡腦汁想出一個(gè)理論。

給出了兩個(gè)答案，才明白必須有一個(gè)更大的框架。它要求解決理論上的沖突，故它請(qǐng)求做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。因此，巴特拉安和同事們，包括前博士顧問(wèn)瑪麗亞?貝克爾(Maria Becker)，給自己設(shè)定了一個(gè)崇高的目標(biāo)：在證明謝蘭科夫的預(yù)測(cè)的同時(shí)，也要適應(yīng)澤林格定理。在安特衛(wèi)普大學(xué)(University of Antwerp)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與之前的許多實(shí)驗(yàn)類似：電子束向一根納米尺度的棒狀物體運(yùn)動(dòng)，棒狀物體的磁場(chǎng)受到了粒子“屏蔽”。

當(dāng)磁棒的磁化強(qiáng)度為零時(shí)，電子從磁棒上彈回后形成的波狀圖案（類似于水里重疊的波紋）是對(duì)稱的。然而，當(dāng)研究小組加大磁化強(qiáng)度時(shí)，這些衍射圖樣就變成了不對(duì)稱的間接證據(jù)，證明非牛頓力推動(dòng)電子向左或向右運(yùn)動(dòng)。正如研究小組所預(yù)料的那樣，磁化方向的反轉(zhuǎn)也會(huì)反轉(zhuǎn)不對(duì)稱的方向，這進(jìn)一步支持了量子現(xiàn)象的觀點(diǎn)，量子現(xiàn)象可以以類似于經(jīng)典牛頓力的方式影響物質(zhì)。至于齊靈格定理呢？

根據(jù)研究小組分析，他所做的理論假設(shè)并不適用于研究中所暗示的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。鑒于此，Batelaan說(shuō)，這項(xiàng)研究并沒(méi)有使Zeilinger失效。相反，該團(tuán)隊(duì)用數(shù)學(xué)方法證明了shelankov預(yù)測(cè)結(jié)果和Zeilinger定理是一個(gè)整體定理的兩個(gè)特例。Batelaan粗略地將這種情況比作一個(gè)球開(kāi)始在一個(gè)平的平臺(tái)上滾動(dòng)。在一個(gè)平面上，即使球的速度和到達(dá)時(shí)間保持不變，這個(gè)平臺(tái)的緩慢升降也能改變球的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。從平臺(tái)上往下看，觀察者可能看不出發(fā)生了什么變化；只有在改變視角之后，它才會(huì)變得明顯。

視角問(wèn)題也影響了這項(xiàng)研究的解釋，經(jīng)典力在局部作用，只影響與這些力相鄰的物質(zhì)。但是量子力學(xué)——特別是量子糾纏，即一個(gè)粒子的變化同時(shí)表現(xiàn)在另一個(gè)理論上可能在光年之外的糾纏粒子上——不受距離的限制。該小組的研究結(jié)果可以解釋為類似非“局部”經(jīng)典力存在的證據(jù)。在這里，我們有一個(gè)非局域的情況，但不像量子糾纏，這是一種單粒子現(xiàn)象，而不是兩粒子現(xiàn)象。那么，沒(méi)有外力的情況下會(huì)發(fā)生什么呢？這是非常罕見(jiàn)的，而且非常非常特別。

這強(qiáng)調(diào)了自然可能是非局部的，這是個(gè)大問(wèn)題，我在這里做的事情會(huì)影響到其他地方的事情嗎？沒(méi)有一個(gè)明確的中介？盡管巴特拉安已經(jīng)找到了證據(jù)，但這并不意味著他必須喜歡它。像我生活在古典世界，我看到周圍發(fā)生的一切都是因?yàn)榱?。如果有些事情沒(méi)有外力，為什么我不能使用它們？為什么沒(méi)有更多這樣的例子呢？作為一個(gè)物理原理，它必須無(wú)處不在，但我們(可能)太盲目了，看不到它。

博科園｜研究/來(lái)自：內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-09609-9

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