中子的奇异运动证明自然界从根本上是奇异的

在最小的尺度上，我们对现实的直观看法不再适用。似乎物理学从根本上是不确定的，当我们放大那些使我们的宇宙像素化的粒子时，这个事实变得越来越难以忽视。

为了更好地理解它，物理学家不得不设计一个全新的框架来放置它，一个基于概率而不是确定性的框架。这就是量子理论，它描述了各种现象，从纠缠到叠加。

然而，尽管一个世纪的实验表明量子理论在解释我们所看到的东西方面是多么有用，但我们很难动摇我们的“经典”观点，即宇宙的组成部分是时间和空间中可靠的固定装置。就连爱因斯坦也不得不问他的物理学家同行：“当你不看月亮的时候，你真的相信月亮不存在吗？”

几十年来，许多物理学家都在问，我们用来描述宏观经验的物理学是否也能用某种方式来解释所有的量子物理学。

现在，一项新的研究也确定了答案是一个大大的否定。

具体来说，中子干涉仪中发射的中子束可以同时存在于两个地方，这在经典物理学中是不可能的。

这个测试是基于一个被称为莱格特-加格不等式的数学断言，它指出一个系统总是确定地处于一个或另一个可用的状态。基本上，薛定谔的猫要么是活的，要么是死的，我们可以确定它处于哪种状态，而我们的测量对结果没有影响。

宏观系统 —— 那些我们仅用经典物理学就能可靠地理解的系统 —— 服从莱格特-加格不等式。但量子领域的系统违背了这一点。这只猫同时是活的和死的，这是量子叠加的一个类比。

维也纳科技大学的物理学家伊丽莎白·克罗伊茨格鲁伯（Elisabeth Kreuzgruber）说：“它背后的思想与更著名的贝尔不等式相似，贝尔不等式在2022年获得了诺贝尔物理学奖。”

然而，贝尔不等式是关于一个粒子的行为与另一个量子纠缠粒子的关系有多强的问题。莱格特-加格不等式只涉及，一个物体它提出的问题是它在特定时间点的状态与同一物体在其他特定时间点的状态有何关系。

中子干涉仪包括向目标发射一束中子。当光束穿过仪器时，它会分裂成两半，光束的每个尖头分别沿着不同的路径行进，直到它们稍后重新组合。

莱格特和加格定理表明，对简单二进制系统的测量可以有效地给出两个结果。将来再测量一次，这些结果是相关的，但只是在某一点上。

对于量子系统，莱格特和加格定理不再适用，允许超过这个阈值的相关性。实际上，这将为研究人员提供一种方法来区分一个系统是否需要量子定理来理解。

维也纳科技大学的物理学家理查德·瓦格纳说：“然而，通过实验来研究这个问题并不容易。如果我们想测试宏观现实主义，那么我们需要一个在某种意义上是宏观的物体，也就是说，它的大小与我们日常生活中常见物体的大小相当。”

为了实现这一点，干涉仪中中子束两部分之间的空间在一个比量子更宏观的尺度上。

维也纳科技大学的物理学家Niels Geerits说：“量子理论认为，每一个中子同时在两条路径上运动。然而，这两束偏梁相距几厘米。从某种意义上说，我们正在处理一个以量子标准衡量巨大的量子物体。”

研究人员使用几种不同的测量方法，在不同的时间探测中子束。而且，果然，测量结果的相关性太过紧密，宏观现实的经典规则无法发挥作用。他们的测量结果表明，中子实际上是同时沿着两条不同的路径运动的，它们之间相隔几厘米的距离。

这只是一连串莱格特-加格实验中最新的一个，这些实验表明，我们确实需要量子理论来描述我们所生活的宇宙。

维也纳科技大学的物理学家Stephan Sponar说：“我们的实验表明：大自然真的像量子理论所说的那样奇怪。无论你提出哪种经典的宏观现实主义理论，它都永远无法解释现实。没有量子物理就行不通。”

这项研究发表在《物理评论快报》上。

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