經(jīng)典雙縫實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階版本竟然直接測量了同時(shí)沿兩條路徑傳播的單個光子，這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能摧毀多元宇宙概念！

　　很多人都還記得高中物理課上介紹的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。它最早由英國物理學(xué)家托馬斯·楊于1801年完成，證明了光的波動性，后來對于量子力學(xué)發(fā)展也有重大意義。

　　在雙縫實(shí)驗(yàn)中，如果讓一束光通過兩道狹窄縫隙，就可從后面屏幕上觀察到明暗相間的條紋，這表明光是波，出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象。而神奇的是，若將光的粒子，也就是光子，一粒一粒地發(fā)射過狹縫——照理說這絕無干涉可能——干涉現(xiàn)象依然存在。

　　多數(shù)物理學(xué)家將上述現(xiàn)象解讀為：單個光子也具有波動性，其狀態(tài)可通過波函數(shù)描述。波函數(shù)是量子力學(xué)中描寫微觀系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，呈現(xiàn)了光子在空間中所有可能位置出現(xiàn)的概率分布。從某種意義上說，這種波動性使得單個光子能同時(shí)穿過兩條狹縫。

　　但更為神奇的是，若在每條狹縫處都設(shè)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(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這是由于波函數(shù)因測量行為發(fā)生了“坍縮”，在空間中局域化，限制了光子同時(shí)通過雙縫的能力。然而關(guān)于波函數(shù)本質(zhì)——究竟是真實(shí)存在還是僅作為對現(xiàn)實(shí)的數(shù)學(xué)描述——始終充滿爭議。

　　例如，部分物理學(xué)家主張“多世界詮釋”(Many-Worlds Interpretation)，認(rèn)為可能宇宙以疊加態(tài)共存，每個可能宇宙里的光子沿不同路徑運(yùn)動，路徑之間能相互干涉。在狹縫處設(shè)置探測器則會導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)分叉，從可能的多重宇宙中選定其中一個。

　　現(xiàn)在，日本廣島大學(xué)的霍爾格·霍夫曼(Holger Hofmann)與同事介紹稱，他們通過更復(fù)雜的雙縫實(shí)驗(yàn)，獲得了光子同時(shí)穿過雙縫的直接證據(jù)。（2025年5月初，霍夫曼團(tuán)隊(duì)于學(xué)術(shù)預(yù)印本平臺arXiv介紹了此項(xiàng)工作。)

　　過去人們認(rèn)為“光子能同時(shí)沿兩條路徑走”的說法以及“用波函數(shù)描述光子在時(shí)空中的概率密度”的方法，都純屬理論推測，因?yàn)榇蠹叶伎床坏诫p縫實(shí)驗(yàn)里的光子究竟經(jīng)歷了什么；若試圖用探測器去測量，光子就會從疊加態(tài)坍縮到只經(jīng)過單一狹縫的量子態(tài)，測量行為會破壞疊加態(tài)，破壞波函數(shù)。

　　“而我們的新實(shí)驗(yàn)刷新了認(rèn)知，證實(shí)了所謂物理離域化(physical delocalisation)的存在。它不是推測假說，而是實(shí)驗(yàn)證據(jù)。新證據(jù)表明波函數(shù)不僅是數(shù)學(xué)工具，更接近真實(shí)物理過程。”

　　霍夫曼等人采用了一種有別以往的干涉儀。設(shè)備先以特殊鏡片將光子的波函數(shù)分成兩條路徑，二路于出口處再合一；通過兩個探測器測量光子干涉圖樣。

　　類似經(jīng)典雙縫實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)干涉現(xiàn)象就表明一個光子同時(shí)沿兩條路徑傳播；但這里頭的測量環(huán)節(jié)必須另辟蹊徑，因?yàn)槿缜拔乃觯坏﹪L試用常規(guī)方式精確測量路徑，就必然引發(fā)波函數(shù)坍縮。

　　他們依靠了所謂弱測量(weak measurement)的技術(shù)，即在不使波函數(shù)坍縮的前提下對粒子屬性進(jìn)行微弱記錄，通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建統(tǒng)計(jì)圖景。

　　團(tuán)隊(duì)在干涉儀每條光子路徑中各加入一片能輕微扭轉(zhuǎn)光子偏振態(tài)的玻璃板；兩條路徑上的扭轉(zhuǎn)方向相反，這意味著若光子的確沿雙路傳播，末端測量時(shí)這些扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會相互抵消。

　　通過測量光子在兩個出口處的偏振并比較多次實(shí)驗(yàn)中偏振測量值的變化頻率，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)完全符合單個光子離域化并沿雙路傳播的場景。

　　霍夫曼說道：“我們這里所主張的是，光子偏振翻轉(zhuǎn)的速率可直接衡量離域化程度。如果光子離域化，翻轉(zhuǎn)速率會下降，這是離域化產(chǎn)生的直接物理效應(yīng)。”

　　霍夫曼也認(rèn)為，他們能開展這種測量并獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)——這本身就挑戰(zhàn)了量子力學(xué)的多世界詮釋，因?yàn)樗似叫杏钪姣B加的必要性。

　　“疊加態(tài)不應(yīng)被誤解為任何形式的‘并行現(xiàn)實(shí)共存’。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，我們觀測到的效應(yīng)對應(yīng)著單個光子的分布狀態(tài)，這直接否定了多世界詮釋。”

　　關(guān)于霍夫曼等人的工作，有同行評價(jià)：這令“波函數(shù)僅為數(shù)學(xué)工具”的觀點(diǎn)更難以被辯護(hù)，也讓我們更難以相信“量子力學(xué)完全處于認(rèn)知層面上、只關(guān)乎真實(shí)事物概率分布”的說法。

　　不過也有學(xué)者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍可兼容多世界詮釋，因?yàn)槲覀冎辉诂F(xiàn)實(shí)的一個可能分支中看到了光子的離域化，或許另一個分支里的光子沿著單一路徑傳播。

　　更為根本性的問題是，物理學(xué)界對于弱測量概念有巨大爭議。部分學(xué)者認(rèn)為，不能用重復(fù)的統(tǒng)計(jì)測量來推斷單個粒子的性質(zhì)。

　　霍夫曼坦言：“我確實(shí)預(yù)料到會有分歧，當(dāng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)。長久以來，各學(xué)派相安無事，正是基于大家都沒法驗(yàn)證理論的共識，而我們卻說實(shí)驗(yàn)測試可行。”