多元宇宙理論坍塌了？_風聞

經典雙縫實驗的進階版本竟然直接測量了同時沿兩條路徑傳播的單個光子，這一實驗的結果可能摧毀多元宇宙概念！

編譯丨希區客

很多人都還記得高中物理課上介紹的雙縫干涉實驗。它最早由英國物理學家托馬斯·楊於1801年完成，證明了光的波動性，後來對於量子力學發展也有重大意義。

在雙縫實驗中，如果讓一束光通過兩道狹窄縫隙，就可從後面屏幕上觀察到明暗相間的條紋，這表明光是波，出現了干涉現象。而神奇的是，若將光的粒子，也就是光子，一粒一粒地發射過狹縫——照理説這絕無干涉可能——干涉現象依然存在。

多數物理學家將上述現象解讀為：單個光子也具有波動性，其狀態可通過波函數描述。波函數是量子力學中描寫微觀系統狀態的函數，呈現了光子在空間中所有可能位置出現的概率分佈。從某種意義上説，這種波動性使得單個光子能同時穿過兩條狹縫。

但更為神奇的是，若在每條狹縫處都設置探測器以求確定光子路徑，干涉圖樣就消失了；換言之，觀察不到其波動性了。傳統觀點認為，這是由於波函數因測量行為發生了“坍縮”，在空間中局域化，限制了光子同時通過雙縫的能力。然而關於波函數本質——究竟是真實存在還是僅作為對現實的數學描述——始終充滿爭議。

例如，部分物理學家主張“多世界詮釋” (Many-Worlds Interpretation)，認為可能宇宙以疊加態共存，每個可能宇宙裏的光子沿不同路徑運動，路徑之間能相互干涉。在狹縫處設置探測器則會導致現實分叉，從可能的多重宇宙中選定其中一個。

現在，日本廣島大學的霍爾格·霍夫曼 (Holger Hofmann) 與同事介紹稱，他們通過更復雜的雙縫實驗，獲得了光子同時穿過雙縫的直接證據。（2025年5月初，霍夫曼團隊於學術預印本平台arXiv介紹了此項工作。)

過去人們認為“光子能同時沿兩條路徑走”的説法以及“用波函數描述光子在時空中的概率密度”的方法，都純屬理論推測，因為大家都看不到雙縫實驗裏的光子究竟經歷了什麼；若試圖用探測器去測量，光子就會從疊加態坍縮到只經過單一狹縫的量子態，測量行為會破壞疊加態，破壞波函數。

“而我們的新實驗刷新了認知，證實了所謂物理離域化(physical delocalisation)的存在。它不是推測假説，而是實驗證據。新證據表明波函數不僅是數學工具，更接近真實物理過程。”

霍夫曼等人採用了一種有別以往的干涉儀。設備先以特殊鏡片將光子的波函數分成兩條路徑，二路於出口處再合一；通過兩個探測器測量光子干涉圖樣。

類似經典雙縫實驗，出現干涉現象就表明一個光子同時沿兩條路徑傳播；但這裏頭的測量環節必須另闢蹊徑，因為如前文所述，一旦嘗試用常規方式精確測量路徑，就必然引發波函數坍縮。

他們依靠了所謂弱測量 (weak measurement) 的技術，即在不使波函數坍縮的前提下對粒子屬性進行微弱記錄，通過大量重複實驗構建統計圖景。

團隊在干涉儀每條光子路徑中各加入一片能輕微扭轉光子偏振態的玻璃板；兩條路徑上的扭轉方向相反，這意味着若光子的確沿雙路傳播，末端測量時這些扭轉效應會相互抵消。

通過測量光子在兩個出口處的偏振並比較多次實驗中偏振測量值的變化頻率，研究團隊發現數據完全符合單個光子離域化並沿雙路傳播的場景。

霍夫曼説道：“我們這裏所主張的是，光子偏振翻轉的速率可直接衡量離域化程度。如果光子離域化，翻轉速率會下降，這是離域化產生的直接物理效應。”

霍夫曼也認為，他們能開展這種測量並獲得實驗證據——這本身就挑戰了量子力學的多世界詮釋，因為它消除了平行宇宙疊加的必要性。

“疊加態不應被誤解為任何形式的‘並行現實共存’。實驗證據表明，我們觀測到的效應對應着單個光子的分佈狀態，這直接否定了多世界詮釋。”

關於霍夫曼等人的工作，有同行評價：這令“波函數僅為數學工具”的觀點更難以被辯護，也讓我們更難以相信“量子力學完全處於認知層面上、只關乎真實事物概率分佈”的説法。

不過也有學者認為，實驗結果仍可兼容多世界詮釋，因為我們只在現實的一個可能分支中看到了光子的離域化，或許另一個分支裏的光子沿着單一路徑傳播。

更為根本性的問題是，物理學界對於弱測量概念有巨大爭議。部分學者認為，不能用重複的統計測量來推斷單個粒子的性質。

霍夫曼坦言：“我確實預料到會有分歧，當我們在多世界詮釋的問題上站在了很多人的對立面，還宣稱能得到實驗證據。長久以來，各學派相安無事，正是基於大家都沒法驗證理論的共識，而我們卻説實驗測試可行。”

資料來源

A photon caught in two places at once could destroy the multiverse：https://www.newscientist.com/article/2481629-a-photon-caught-in-two-places-at-once-could-destroy-the-multiverse/

本文經授權轉載自微信公眾號“世界科學”。

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