我们一直都在解释量子力学错误吗？

近一个世纪以来，“现实”一直是一个模糊的概念。量子物理学定律似乎表明，粒子大部分时间都处于幽灵状态，甚至缺乏诸如确定位置之类的基本属性，而是无处不在而无处不在。只有当测量到颗粒时，它才会突然变成实物，似乎像掷骰子一样拾取其位置。

原始故事经西蒙斯基金会（SimonsFoundation.org）的编辑独立部门Quanta Magazine的允许转载。 -量子力学的标准方程式直接暗示了粒子没有硬性，只有可能，直到被观察到为止。但是现在，一系列关于液体的令人惊讶的实验重新激发了人们对该世界观的怀疑态度。奇怪的结果激起了人们对几乎被遗忘的量子力学版本的兴趣，量子力学从未放弃过单一具体现实的想法。

实验涉及沿着液体表面反弹的油滴。每次反弹时，液滴会轻轻地使液体散落。同时，过去反弹的涟漪会影响其进程。液滴与自身波纹的相互作用（形成了导波）使液滴表现出以前认为是基本粒子特有的行为，包括被视为这些粒子像波一样在空间中扩散而没有任何特定位置的证据，直到对其进行测量。

量子尺度的粒子似乎可以做人类尺度的物体所不能做的事情。它们可以穿过障碍物，自发出现或歼灭，并占据离散的能级。这项新的研究表明，油滴在导波的引导下也表现出这些类似量子的特征。

对一些研究人员而言，实验表明，量子物体的确像液滴一样确定，并且它们也受到导波的引导-在这种情况下，时空像流体一样起伏不定。这些论点为微观世界的确定性理论（相对于概率论）注入了新的活力，而该理论在量子力学诞生之初就被提出并遭到拒绝。

麻省理工学院应用数学教授约翰·布什（John Bush）说：“这是一个古典系统，表现出人们以前认为是量子领域专有的行为，我们可以说出原因。”实验。 “我们了解的越多并且可以提供物理依据的东西，捍卫'量子力学就是魔术'的观点就越困难。”

在丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的故乡丹麦，物理学家正统的量子力学观点被称为“哥本哈根解释”，他认为粒子可以同时发挥所有可能的现实。每个粒子由权重这些各种可能性的“概率波”表示，并且只有在测量粒子时，该波才崩溃为确定状态。量子力学方程式并没有说明在测量时粒子的性质如何固化，或者在这种情况下如何形成实物。但是计算有效。正如麻省理工学院量子物理学家塞思·劳埃德（Seth Lloyd）所说，“量子力学只是违反直觉的，我们只需要吸收它即可。”

量子力学中的一项经典实验似乎证明了现实的概率性质，其中涉及一束粒子（例如电子）逐一推向屏幕上的一对狭缝。当没有人跟踪每个电子的轨迹时，它似乎同时穿过两个缝隙。随着时间的流逝，电子束会在屏幕的另一侧形成亮条纹和暗条纹的波状干涉图案。但是，当将检测器放置在其中一个狭缝的前面时，它的测量会导致粒子失去其波状杂波性，塌陷成确定的状态，并穿过一个狭缝或另一个狭缝。干涉图案消失。二十世纪伟大的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）说，这种双缝实验“具有量子力学的核心”，并且“不可能，绝对不可能以任何经典的方式进行解释。”

现在有些物理学家不同意。 “量子力学非常成功；没有人声称这是错误的，”英格兰巴斯大学数学教授保罗·米勒夫斯基（Paul Milewski）说，他已经设计了弹跳液滴动力学的计算机模型。 “我们相信，实际上，[量子力学]看起来可能有一些更根本的原因。”

导波可以解释粒子的特殊性的想法可以追溯到量子力学的早期。法国物理学家路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）在1927年布鲁塞尔的索尔维会议（Solvay Conference）上介绍了导波理论的最早版本，该会议是该领域创始人的著名聚会。正如德布罗意那天向玻尔，阿尔伯特·爱因斯坦，艾尔文·施罗丁格，维尔纳·海森堡和其他十几位著名物理学家解释的那样，先导波理论做出的预测与量子力学的概率公式化完全相同（这不称为量子力学）。 “哥本哈根”的解释直到1950年代），但没有鬼影或神秘的崩溃。

由玻尔（Bohr）倡导的概率模型涉及一个方程，该方程将粒子的可能和不太可能的位置表示为波的波峰和波谷。玻尔将这个概率波方程解释为粒子的完整定义。但是德布罗意敦促他的同事们使用两个方程式：一个描述一个真实的物理波，另一个将实际的具体粒子的轨迹与该波动方程式中的变量联系起来，就好像该粒子与该波相互作用并受到该波的推动而不是被它定义。

例如，考虑双缝实验。在德布罗意的导波图中，每个电子仅通过两个狭缝中的一个，但受到分裂并穿过两个狭缝传播的导波的影响。像水流中的漂浮物一样，粒子被吸引到两个波阵面相互配合的地方，而不是被抵消。

De Broglie无法预测单个粒子最终的确切位置-就像玻尔的事件版本一样，先导波理论仅预测结果的统计分布或明暗条纹-但两个人用不同的方式解释了这一缺点。玻尔声称粒子没有明确的轨迹； de Broglie认为它们可以，但是我们不能很好地测量每个粒子的初始位置以推断出其确切路径。

但是，原则上，导波理论是确定性的：未来是从过去动态地演变而来的，因此，如果在给定的瞬间已知宇宙中所有粒子的确切状态，则它们在未来所有时间的状态可能是计算。

在索尔维会议上，爱因斯坦反对概率宇宙，嘲笑“上帝不玩骰子”，但他似乎对德布罗意的替代方案抱有歧义。玻尔要求爱因斯坦“停止告诉上帝该怎么做”，并且（出于争议原因）他赢得了胜利。到1932年，当时的匈牙利裔美国数学家约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）声称已经证明量子力学中的概率波动方程可能没有“隐藏变量”（也就是说，缺少了诸如德布罗意粒子具有明确定义的轨迹的成分） ，对导波理论的看法太差了，以至于大多数物理学家都相信冯·诺依曼的证明甚至都没有读过译文。

在冯·诺依曼的证明被证明是虚假的之前，已经过去了30多年，但是到那时，损害已经造成。物理学家大卫·鲍姆（David Bohm）在爱因斯坦（Einstein）的鼓励下，于1952年以修改的形式复活了导波理论，并明确表示它确实起作用，但从未成功。 （该理论也称为de Broglie-Bohm理论或Bohmian力学。）

后来，北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔继续证明了一个开创性的定理，如今许多物理学家都误解为使隐藏变量变得不可能。但是贝尔支持导波理论。他是指出冯·诺依曼原始证明存在缺陷的人。 1986年，他写道，导波理论“对我来说是如此自然而又简单，以如此清晰和普通的方式解决了波粒难题，对我来说，被如此普遍地忽略是一个巨大的谜团。”

忽视仍在继续。一个世纪以来，量子力学的标准概率公式已经与爱因斯坦的狭义相对论相结合，并发展成为标准模型，对宇宙中大多数粒子和力进行了详尽而精确的描述。适应量子力学的怪异已经成为物理学家的通行仪式。大多数教科书中没有提及旧的确定性替代方法。该领域的大多数人都没有听说过。罗格斯大学数学，物理和哲学教授，导波理论的支持者谢尔登·戈德斯坦将这种理论的“荒谬”忽视归咎于“几十年的灌输”。戈德斯坦和其他一些研究者指出，现阶段研究人员通过质疑量子正统学来冒着职业风险。

现在，至少在流体动力学家中，导波理论也许正在经历一次小小的卷土重来。 Milewski说：“我希望上世纪初开发量子力学的人们能够进行这些实验。” “因为那样，量子力学的整个历史可能会有所不同。”

这项实验始于十年前，当时巴黎狄德罗大学的Yves Couder及其同事发现，以特定频率上下振动硅油浴会引起液滴沿表面反弹。他们发现，液滴的路径是由液滴自身反弹所产生的液体表面的倾斜轮廓所引导的-相互之间的粒子波相互作用类似于de Broglie的导波概念。

在一项开创性的实验中，巴黎研究人员使用液滴设置演示了单缝和双缝干扰。他们发现，当液滴朝着坝状屏障中的一对开口反弹时，它仅穿过一个狭缝或另一个狭缝，而引导波则穿过两个狭缝。重复的试验表明，导波的重叠波前将液滴引导到某些位置，而不会将液滴引导到它们之间的位置-费曼描述的量子双缝实验中干涉图案的明显复制，费恩曼称之为“不可能……在任何经典理论中都可以解释”道路。”正如测量粒子的轨迹似乎在“破坏”它们同时存在的现实一样，在弹滴实验中干扰导波会破坏干涉图样。

液滴似乎还可以“穿越”障碍物，以稳定的“束缚态”相互环绕，并具有类似于量子自旋和电磁吸引的特性。当限制在称为畜栏的圆形区域时，它们会形成同心环，类似于由量子畜栏中的电子产生的驻波。它们甚至会消灭地下气泡，使人想起物质和反物质粒子的相互破坏。

在每个测试中，液滴缠绕一条混沌路径，该路径随着时间的流逝在流体系统中建立的分布与量子级粒子预期的分布相同。研究人员称，这些类量子效应不是由不确定性或缺乏现实引起的，而是由“路径记忆”驱动的。每次液滴反弹都会以波纹形式留下痕迹，这些波纹混乱而确定性地影响液滴的未来反弹，并导致类似量子的统计结果。给定流体表现出的路径记忆越多（即，其脉动消散越少），统计数据变得更加清晰和量子化。 “内存会产生混乱，我们需要获得正确的概率，” Couder解释说。 “我们在系统中清楚地看到了路径记忆。它并不一定意味着它存在于量子物体中，只是表明它是可能的。”

即使液滴受到外力作用，量子统计也很明显。在最近的一项测试中，Couder和他的同事在他们的油浴中心放置了一块磁铁，并观察到了铁磁流体液滴。就像电子在原子核周围占据固定的能级一样，弹跳的液滴在磁体周围采用了一组离散的稳定轨道，每个轨道的特征在于设定的能级和角动量。将这些属性“量化”为离散数据包通常被理解为量子领域的定义特征。

如果空间和时间表现得像超流体一样，或者流体根本没有耗散，那么路径记忆可能会引起纠缠的奇怪量子现象-爱因斯坦称之为“远距离的怪异作用”。当两个粒子纠缠在一起时，对一个状态的测量会立即影响另一个状态。即使两个粒子相距光年，纠缠仍然成立。

在标准量子力学中，这种效应被合理化为粒子联合概率波的瞬时崩溃。但是在事件的先导波版本中，超流体宇宙中两个粒子之间的相互作用将它们设置在永远保持关联的路径上，因为这种相互作用会永久影响超流体的轮廓。布什解释说：“随着粒子前进，他们会感觉到它们过去以及其他所有粒子所产生的波场。”换句话说，导波的普遍性“提供了一种解释这些非局部相关性的机制。”然而，液滴缠结的实验测试仍然是遥远的目标。

许多参与或熟悉新研究的流体动力学家已经确信，对量子力学有经典的流体解释。布什说：“我认为这太巧合了。”布什在里约热内卢主持了六月主题研讨会，并为《流体力学年度评论》撰写了有关实验的评论论文。

量子物理学家倾向于认为这些发现意义不大。毕竟，流体研究并未提供直接的证据证明导波以量子尺度推动粒子。电子和油滴之间令人惊讶的类比并不能产生新的更好的计算方法。 “我个人认为，这与量子力学无关。”荷兰乌得勒支大学诺贝尔奖获得者，粒子物理学家Gerard’t Hooft说。他认为量子理论是不完整的，但不喜欢导波理论。

许多在职的量子物理学家质疑从头开始重建他们非常成功的标准模型的价值。麻省理工学院的物理学教授，诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔泽克说：“我认为实验非常聪明，而且扩展了思维，但是沿着一条漫长的道路，您只能走几步，从假设的经典基础理论到我们众所周知的量子力学的成功应用。”

劳埃德说：“这确实是导波现象的非常明显和明显的表现。” “这令人难以置信，但它不会很快取代实际的量子力学。”

英国牛津大学物理学家戴维·华莱士（David Wallace）表示，在目前处于不成熟状态时，量子力学的导波公式仅描述了物质与电磁场之间的简单相互作用，甚至无法捕捉到量子力学的物理学原理。普通灯泡。华莱士说：“它本身不能代表很多物理学。” “以我个人的观点，这是该理论最严重的问题，尽管公平地说，它仍然是一个活跃的研究领域。”

导波理论比标准量子力学更麻烦。一些研究人员说，该理论难以处理相同的粒子，并且在描述多粒子相互作用时变得笨拙。他们还声称，它不那么优雅地与狭义相对论相结合。但是其他量子力学专家不同意或说，这种方法只是研究不足。伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的物理学教授，诺贝尔奖获得者安东尼·莱格特说，用导波语言重铸对量子力学的预测可能只是一个工作问题。他补充说：“人们是否认为这值得花费大量的时间和精力是个人喜好的问题。” “就我个人而言，不是。”

另一方面，正如波姆（Bohm）在1952年的论文中所论证的那样，量子力学的另一种表述可能在量子尺度上做出与标准形式相同的预测，但是在涉及更小的自然尺度时却有所不同。在寻求各种规模的统一物理学理论的过程中，“通过限制自己对量子理论的通常解释，我们很容易长期处于错误的轨道上，”鲍姆写道。

一些爱好者认为，流体方法确实可能是解决量子力学与爱因斯坦引力理论之间长期冲突的关键，爱因斯坦的引力理论在无穷小范围内发生冲突。

“存在一种可能性，我们可以根据潜在的底层超流体底物寻找标准模型和引力的统一理论，”英国剑桥大学的计算机科学家和数学家罗斯·安德森说， -关于流体量子类比的最新论文的作者。将来，安德森和他的合作者计划研究超流体氦中“转子”（类粒子激发）的行为，作为这种可能的“现实超流体模型”的更接近的模拟。

但是目前，这些与量子引力的联系是推测性的，对于年轻的研究人员来说，这是冒险的想法。 布什，库德和其他流体动力学家希望，他们对越来越多的类量子现象的论证将使量子力学的确定性，流体图景越来越令人信服。 布什说：“对于物理学家来说，这是一个有争议的事情，人们在这个阶段还很投入。 “我们只是在前进，时间会证明一切。 事实最终胜出。”