麻省理工学院的研究人员在弹跳液滴中观察到一种标志性的量子行为

在我们日常的古典世界中，所见即所得。球只是一个球，当在空中抛球时，它的轨迹是直截了当的。但是，如果这个球被缩小到原子大小或更小，它的行为就会变成一个量子的、模糊的现实。球不仅作为一个物理粒子存在，而且作为一个可能的粒子状态波存在。这种波粒二象性可以引起一些奇怪和鬼鬼祟祟的现象。

其中一个更奇怪的前景来自一个被称为“量子炸弹测试仪”的思想实验。该实验提出，量子粒子，如光子，可以充当一种心灵感应炸弹探测器。通过其粒子和波的特性，从理论上讲，光子可以在不与炸弹发生物理相互作用的情况下感知炸弹的存在。

这个概念在数学上得到了检验，并且符合控制量子力学的方程所允许的。但是，当谈到确切地说明一个粒子将如何完成这样一个炸弹嗅探壮举时，物理学家们被难住了。难题在于量子粒子固有的多变、介于两者之间、无法定义的状态。换句话说，科学家们只需要相信它有效。

但麻省理工学院的数学家们希望揭开一些谜团，并最终建立起一幅更具体的量子力学图景。他们现在已经证明，他们可以重建量子炸弹测试仪的模拟，并生成实验预测的行为。他们不是在一个异国情调的、微观的、量子的环境中这样做的，而是在一个看似平凡的、经典的、桌面上的设置中这样做的。

在今天发表在 《物理评论A》上的一篇论文中，该团队报告说，在一项研究弹跳液滴的实验中重建了量子炸弹测试仪。研究小组发现，液滴与其自身波的相互作用类似于光子的量子波-粒子行为：当落入类似于量子炸弹测试中提出的配置时，液滴的行为与光子预测的统计方式完全相同。如果在50%的时间内确实有炸弹，那么液滴和光子一样，会在25%的时间内探测到它，而不与它发生物理相互作用。

两个实验中的统计数据相匹配的事实表明，液滴经典动力学中的某些东西可能是光子神秘量子行为的核心。研究人员将这项研究视为两个现实之间的另一座桥梁：可观察的经典世界和更模糊的量子领域。

“在这里，我们有一个经典系统，它给出了与量子炸弹测试中出现的相同统计数据，这被认为是量子世界的奇迹之一，”研究作者、麻省理工学院应用数学教授约翰布什说。“事实上，我们发现这种现象毕竟不是那么美妙。这是量子行为的另一个例子，可以从局部现实主义的角度来理解。

布什的合著者是前麻省理工学院博士后瓦莱里·弗鲁姆金（Valeri Frumkin）。

掀起波澜

对于一些物理学家来说，量子力学留下了太多的想象力，并没有充分说明这种奇怪现象的实际动力学。1927年，物理学家路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）提出了导波理论，这是一个仍然有争议的观点，认为粒子的量子行为不是由无形的、可能状态的统计波决定的，而是由它自己制造的物理“引导”波决定的，它引导粒子穿过空间。

直到2005年，物理学家伊夫·库德（Yves Couder）发现德布罗意的量子波可以在经典的流体实验中被复制和研究。该装置涉及一个流体浴，该浴可以微妙地上下振动，尽管不足以自行产生波浪。然后，将一毫米大小的相同流体液滴分配到浴液上，当它从表面反弹时，液滴与浴液的振动产生共振，产生物理学家所称的驻波场，该驻波场“引导”或推动液滴前进。其效果是液滴似乎沿着波纹表面行走，其模式与德布罗意的导波理论一致。

在过去的 13 年里，布什一直致力于完善和扩展 Couder 的流体动力学先导波实验，并成功地利用该装置观察表现出涌现的量子类行为的液滴，包括量子隧穿、单粒子衍射和超现实轨迹。

“事实证明，这个流体动力学先导波实验展示了量子系统的许多特征，这些特征以前被认为从经典的角度来看是不可能理解的，”布什说。

炸弹离开

在他们的新研究中，他和弗鲁姆金接受了量子炸弹测试。思想实验从一个概念干涉仪开始——本质上是两条相同长度的走廊，它们从同一个起点分支出来，然后转弯并汇聚，随着走廊的继续，形成一个菱形的配置，每个走廊都在各自的探测器中结束。

根据量子力学，如果光子从干涉仪的起点发射，通过分光镜，粒子应该以相等的概率沿着两条走廊之一传播。与此同时，光子神秘的“波函数”，或者说它所有可能状态的总和，同时沿着两条走廊传播。波函数以这样的方式进行干涉，以确保粒子只出现在一个探测器上（我们称之为D1），而从不出现在另一个探测器（D2）上。因此，光子应该在D1 100%的时间内被检测到，无论它穿过哪条走廊。

如果两条走廊中的一条有炸弹，并且一个光子沿着这条走廊前进，它可以预见地触发炸弹，并将装置炸成碎片，并且在两个探测器上都没有检测到光子。但是，如果光子在没有炸弹的情况下沿着走廊传播，就会发生一些奇怪的事情：它的波函数在沿着两条走廊传播时，被炸弹缩短了。由于它不完全是粒子，因此波不会引爆炸弹。但是波干涉的改变方式是，粒子在D1和D2处被检测到的概率相等。因此，D2的任何信号都意味着光子已经检测到炸弹的存在，而没有与它进行物理交互。如果炸弹在50%的时间内存在，那么这种奇怪的量子炸弹探测应该在25%的时间内发生。

在他们的新研究中，布什和弗鲁姆金建立了一个类似的实验，看看这种量子行为是否会出现在经典液滴中。在硅油浴中，他们淹没了一个类似于思想实验中菱形走廊的结构。然后，他们小心翼翼地将微小的油滴分配到浴缸中，并跟踪它们的路径。他们在菱形的一侧添加了一个结构，以模仿类似炸弹的物体，并观察液滴及其波纹如何随之变化。

最后，他们发现，有25%的时间，液滴在没有“炸弹”的情况下反弹穿过走廊，而其导波与炸弹结构相互作用，将液滴推离炸弹。从这个角度来看，液滴能够“感应”到类似炸弹的物体，而无需与它进行物理接触。虽然液滴表现出类似量子的行为，但研究小组可以清楚地看到这种行为来自液滴的波，这在物理上有助于使液滴远离炸弹。研究小组表示，这些动力学也可能有助于解释量子粒子的神秘行为。

“不仅统计数据相同，而且我们也知道动态，这是一个谜，”弗鲁姆金说。“推论是，类似的动力学可能是量子行为的基础。

“这个系统是我们所知道的唯一一个不是量子的例子，但具有一些强大的波粒子特性，”ESPCI巴黎的理论物理学家Matthieu Labousse说，他没有参与这项研究。“非常令人惊讶的是，许多被认为是量子世界特有的例子可以被这样一个经典系统复制。它能够理解量子系统特有的东西和不特有的东西之间的障碍。 麻省理工学院研究小组的最新结果将这一障碍推得很远。

这项研究在一定程度上得到了美国国家科学基金会的支持。