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玻恩定则:量子力学的基本假定可能是错的

量子理论本质上是概率性的。因为量子不确定性的模糊效应,量子力学的方程并不能告诉我们一个量子物体究竟正在做什么,而只是当我们与之进行交互时可能的结果。这个概率由玻恩定则(Born Rule)所决定,该定则以物理学家、量子力学奠基者之一马克斯·玻恩(Max Born)的名字命名。

玻恩定则具有各种形式,但在最常见的方法中,它意味着一个量子物体的波函数平方表示一个特定结果的概率。玻恩定则非常好用,使量子理论成为我们所拥有的最准确的科学理论,但它也是一个假设。它是量子理论的一个基本假定,而不是从模型中导出。

因此,如果玻恩定则是错的会怎样?

玻恩定则:量子力学的基本假定可能是错的

退一步说,即使玻恩定则在某种程度上是错误的,但量子物理学的巨大成功表明玻恩定则在大多数情况下肯定是有效的。然而,科学家就是喜欢测试这些假设,即使它们是有效的,所以有人试图去反驳玻恩定则。一种方法是观察三缝实验,这是著名双缝实验的一个变种。

在双缝实验中,诸如光子或电子等量子物体被发射通过两个紧密间隔的狭缝。由于我们不知道每个量子物体会穿过哪个狭缝,所以重叠的可能性产生了干涉图样而非两条锐利的线。

根据玻恩定则,即使当我们一次只对一个量子物体进行这个实验时,每个量子物体的概率分布也遵循这种模式。这正是我们在实验中所看到的,使它成为了量子理论的一个很好证明。

三缝实验则将狭缝变为三个。虽然这似乎是一个微不足道的变化,但如果操作得当,它能允许二次相互作用,原则上可以违反玻恩定则。

基本上,如果只对三个狭缝的总波函数进行平方,只会得到一个概率分布。如果计算二次相互作用,将会得到不同的分布。但在2010年进行的实验中发现,这种差异非常小,玻恩定则在实验极限内依然有效。

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虽然这似乎确认了玻恩定则,但该实验的精确度只有百分之一,这不是很高。不幸的是,即使利用三缝实验来达到这种水平的精度也是比较困难的。这是因为测试仅在实验中的波长小于狭缝的宽度时才起作用。

但现在有一篇新的研究论文提出了一种不同的方法,可能会产生更高的精度。

这种新的方法是双缝实验的一种变形。科学家不是简单地让量子物体通过两个狭缝,而是引入一个附加电平来将量子物体从一个狭缝转移到另一个狭缝。根据玻恩定则,任何这样的转移应该对结果没有影响,而如果转移影响结果,则违反了玻恩定则。

虽然这种实验的实际操作非常棘手,但它不受量子物体波长的限制,因此可能会比以前的实验更精确。

鉴于玻恩定则到目前为止所展现出的效用,来自罗彻斯特理工学院的物理学家Brian Koberlein表示玻恩定则不大会被打破,但这种实验是双赢的。玻恩定则继续统治,或者我们会发现一种微妙的违反,可以让我们更好地理解诸如量子引力之类的东西。

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