在日常的經典世界中，我們所看到的一個球，它就是一個球，當它在空中盤旋時，它的軌跡是直接而清晰的。但如果這個球縮小到一個原子甚至更小的尺度，它的行為就會變成一個模糊的量子現實。這時，這個球不僅是一個物理粒子，還是一個可能的粒子狀態的波。
這種波粒二象性會產生一些奇怪的現象。其中，一種被稱為“量子炸彈測試儀”的思想實驗就是一個典型的例子。這個實驗提出，量子粒子（如光子）可以作為一種“隔空傳動”的炸彈探測器，它意味著，在理論上，光子的波粒特性使得它可以在不與炸彈發生物理性接觸的情況下，感應到炸彈的存在。
在一篇新發表於《物理評論A》的論文中，麻省理工學院的一個數學家團隊報告了在一項研究彈跳微滴的實驗中，建立了一個量子炸彈測試儀的模擬，併產生了與思想實驗所預測的相一致的行為。
製造波
1927年，物理學家路易·德布羅意（Louis de Broglie）提出了導航波理論（pilot wave theory），這是一個至今仍有爭議的理論，它提出粒子的量子行為不是由可能狀態的統計波決定的，而是由它自己製造的物理“導航”波決定的，是這些導航波引導著粒子穿過空間。
這一觀點在很長一段時間都不被受重視了，直到2005年，物理學家Yves Couder發現德布羅意的量子波可以在一個經典的基於流體的實驗中被複制和研究。這個裝置涉及到一個液體浴，它能微妙而隱蔽地上下振動，但不足以產生波。然後，一個毫米大小的由相同液體構成的微滴，被滴入液體浴中。當微滴在表面反彈時，它與液體浴的振動產生共鳴，形成駐波場，推動著微滴前進。其效果是一個微滴就像是沿著一個波紋表面行走，而波紋的模式與德布羅意的導波理論一致。
在過去十多年裡，這項新研究的作者一直致力於完善和擴充套件Couder的流體動力學導航波實驗，併成功地用這一裝置觀察了表現出湧現的、像量子一樣的行為的微滴。事實證明，這個流體動力導航波實驗展示了量子系統的許多特徵，這些特徵曾經都被認為是無法從經典世界的角度來加以詮釋的。
途中的炸彈
在新研究中，研究人員將目光投向了量子炸彈測試儀。這個思想實驗始於一個概念性的干涉儀，簡單來說，這個干涉儀具有兩條長度相同的通道，它們從相同的起點開始分叉，然後轉彎並再次匯聚，形成一個菱形結構。接著，每條通道繼續延長，然後各自以一個探測器為終點。
有著菱形結構的干涉儀。（圖/Frumkin et al）
根據量子力學，如果一個光子從干涉儀的起點發射，透過一個分束器，粒子應該以相同的機率沿著兩條通道中的一條行進。與此同時，光子的神秘的“波函式”，或者說它的所有的可能狀態的總和，則會同時沿兩條通道行進。波函式會以這樣一種方式進行干涉，即它會確保粒子只出現在一個探測器（D1）上，而不會出現在另一個探測器（D2）上。因此，無論光子穿過哪個通道，它都應該100%在D1處被探測到。
如果這兩個通道中有一個有炸彈，那麼當一個光子沿著這條通道行進時，就會觸發炸彈，整個裝置就會被炸成碎片，使得兩個探測器都探測不到光子。但是，如果光子在沒有炸彈的通道下行進，就會發生奇怪的事：在沿著兩條通道傳播時，光子的波函式在一條通道上被炸彈縮短了。
因為它不完全是粒子，所以炸彈不會被波引爆。但是波的干涉會因此發生改變，使得粒子在D1和D2處被探測到的機率相等。因此，在D2上出現的任何訊號，都意味著光子在沒有與炸彈發生物理性互動的情況下探測到了炸彈的存在。如果炸彈出現的機率是50%，那麼這種奇怪的量子炸彈探測出現的機率應該是25%。
量子炸彈測試儀的模擬
在這項新研究中，為了瞭解這種量子行為是否會出現在經典的液滴中，研究人員建立了一個類似的實驗。他們將一個類似於思想實驗中菱形通道的結構浸入矽油浴中，然後將微小的油滴滴入矽油浴，並追蹤油滴的路徑。他們在菱形的一側添加了一個模擬炸彈的物體，並觀察了油滴及其波動模式會如何變化。
研究追蹤了油滴在一個受“量子炸彈測試”啟發的結構中反彈的過程。圖中顯示了“炸彈”存在時油滴的軌跡，右圖顯示了“炸彈”不存在時油滴的軌跡。（圖/Frumkin et al）
他們發現，在沒有“炸彈”的情況下，有25%機率油滴會在通道上反彈，而它的導航波與炸彈會以一種使油滴遠離炸彈的方式相互作用。這意味著，油滴能夠“感知”到這個類似炸彈的物體，且無需與它發生物理性接觸。雖然油滴表現出了類似量子的行為，但研究人員可以清楚地看到，這種行為是從液滴的波中產生的，這在物理上有助於使液滴遠離炸彈。
這表明，微滴與自身的波的相互作用，類似於光子的量子波粒行為。這二者擁有相同的統計資料表明，微滴的經典動力學中的某些東西，可能是光子的神秘量子行為的核心。
當一個“炸彈”被放置在干涉儀的一條通道上，微滴在另一條通道上彈跳，微滴的波會因為炸彈而泛起漣漪，導致微滴改變方向，轉向別處。這種效果就好像微滴“感應到”了炸彈，但卻沒有與它發生物理性互動。這種經典效應與“量子炸彈試驗”中預測的結果相似。（圖/Frumkin et al）
研究人員表示，這項研究可以被視為連線可觀測的經典世界與更模糊的量子領域的一座橋樑。這個系統是目前已知的唯一一個不是量子系統，但卻具有某些強波粒特性的例子。這非常令人驚訝，它表明一些被認為是量子世界特有的奇異現象，也可以透過經典系統重現。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.mit.edu/2023/mit-researchers-observe-hallmark-quantum-behavior-1212
https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/153144/2306.13590.pdf?sequence=1&isAllowed=y
#圖片來源：
封面圖&首圖：Frumkin et al
