多元宇宙理论坍塌了？_风闻

经典双缝实验的进阶版本竟然直接测量了同时沿两条路径传播的单个光子，这一实验的结果可能摧毁多元宇宙概念！

编译丨希区客

很多人都还记得高中物理课上介绍的双缝干涉实验。它最早由英国物理学家托马斯·杨于1801年完成，证明了光的波动性，后来对于量子力学发展也有重大意义。

在双缝实验中，如果让一束光通过两道狭窄缝隙，就可从后面屏幕上观察到明暗相间的条纹，这表明光是波，出现了干涉现象。而神奇的是，若将光的粒子，也就是光子，一粒一粒地发射过狭缝——照理说这绝无干涉可能——干涉现象依然存在。

多数物理学家将上述现象解读为：单个光子也具有波动性，其状态可通过波函数描述。波函数是量子力学中描写微观系统状态的函数，呈现了光子在空间中所有可能位置出现的概率分布。从某种意义上说，这种波动性使得单个光子能同时穿过两条狭缝。

但更为神奇的是，若在每条狭缝处都设置探测器以求确定光子路径，干涉图样就消失了；换言之，观察不到其波动性了。传统观点认为，这是由于波函数因测量行为发生了“坍缩”，在空间中局域化，限制了光子同时通过双缝的能力。然而关于波函数本质——究竟是真实存在还是仅作为对现实的数学描述——始终充满争议。

例如，部分物理学家主张“多世界诠释” (Many-Worlds Interpretation)，认为可能宇宙以叠加态共存，每个可能宇宙里的光子沿不同路径运动，路径之间能相互干涉。在狭缝处设置探测器则会导致现实分叉，从可能的多重宇宙中选定其中一个。

现在，日本广岛大学的霍尔格·霍夫曼 (Holger Hofmann) 与同事介绍称，他们通过更复杂的双缝实验，获得了光子同时穿过双缝的直接证据。（2025年5月初，霍夫曼团队于学术预印本平台arXiv介绍了此项工作。)

过去人们认为“光子能同时沿两条路径走”的说法以及“用波函数描述光子在时空中的概率密度”的方法，都纯属理论推测，因为大家都看不到双缝实验里的光子究竟经历了什么；若试图用探测器去测量，光子就会从叠加态坍缩到只经过单一狭缝的量子态，测量行为会破坏叠加态，破坏波函数。

“而我们的新实验刷新了认知，证实了所谓物理离域化(physical delocalisation)的存在。它不是推测假说，而是实验证据。新证据表明波函数不仅是数学工具，更接近真实物理过程。”

霍夫曼等人采用了一种有别以往的干涉仪。设备先以特殊镜片将光子的波函数分成两条路径，二路于出口处再合一；通过两个探测器测量光子干涉图样。

类似经典双缝实验，出现干涉现象就表明一个光子同时沿两条路径传播；但这里头的测量环节必须另辟蹊径，因为如前文所述，一旦尝试用常规方式精确测量路径，就必然引发波函数坍缩。

他们依靠了所谓弱测量 (weak measurement) 的技术，即在不使波函数坍缩的前提下对粒子属性进行微弱记录，通过大量重复实验构建统计图景。

团队在干涉仪每条光子路径中各加入一片能轻微扭转光子偏振态的玻璃板；两条路径上的扭转方向相反，这意味着若光子的确沿双路传播，末端测量时这些扭转效应会相互抵消。

通过测量光子在两个出口处的偏振并比较多次实验中偏振测量值的变化频率，研究团队发现数据完全符合单个光子离域化并沿双路传播的场景。

霍夫曼说道：“我们这里所主张的是，光子偏振翻转的速率可直接衡量离域化程度。如果光子离域化，翻转速率会下降，这是离域化产生的直接物理效应。”

霍夫曼也认为，他们能开展这种测量并获得实验证据——这本身就挑战了量子力学的多世界诠释，因为它消除了平行宇宙叠加的必要性。

“叠加态不应被误解为任何形式的‘并行现实共存’。实验证据表明，我们观测到的效应对应着单个光子的分布状态，这直接否定了多世界诠释。”

关于霍夫曼等人的工作，有同行评价：这令“波函数仅为数学工具”的观点更难以被辩护，也让我们更难以相信“量子力学完全处于认知层面上、只关乎真实事物概率分布”的说法。

不过也有学者认为，实验结果仍可兼容多世界诠释，因为我们只在现实的一个可能分支中看到了光子的离域化，或许另一个分支里的光子沿着单一路径传播。

更为根本性的问题是，物理学界对于弱测量概念有巨大争议。部分学者认为，不能用重复的统计测量来推断单个粒子的性质。

霍夫曼坦言：“我确实预料到会有分歧，当我们在多世界诠释的问题上站在了很多人的对立面，还宣称能得到实验证据。长久以来，各学派相安无事，正是基于大家都没法验证理论的共识，而我们却说实验测试可行。”

资料来源

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/

本文经授权转载自微信公众号“世界科学”。

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