去而复返：科学家将光子发射到太空以检验量子理论

研究人员将一项著名的量子物理学实验推向了新的高度，他们将光子形式的光发送到太空，然后再返回，从而在比科学家在地球上所能达到的距离更远的地方证明了光的粒子-波双重性质。

在现实的量子理论中，电子和光子等粒子的行为也像波一样，这取决于科学家如何测量它们。物理学家称这种现象为 "波粒二象性"，它导致了许多反直觉效应，比如单个粒子同时沿着两条路径运动。

1803 年，早在量子理论提出之前，物理学家托马斯-杨就做了一个著名的实验，证明光的行为像波一样。杨将阳光穿过两个狭缝，射向一张空白纸卡。当他观察纸卡上的光线时，发现亮带和暗带的图案向边缘逐渐消失。光线并没有穿过一个狭缝或另一个狭缝，而是像波浪一样穿过两个狭缝，并与自身相互作用形成图案，就像池塘中的涟漪。

20 世纪，科学家们在这种狭缝上安装了探测器，以确定光究竟走的是哪条路径。当他们这样做时，他们总是在一个狭缝或另一个狭缝中检测到光子。更重要的是，胶片上出现了两条与缝隙相对的亮带，而不是波纹--光子穿过了一个狭缝或另一个狭缝，而不是像波浪一样相互作用。这几乎就像光知道科学家希望它如何表现一样。

科学家们感到困惑的是，光是如何决定自己的行为的，更重要的是，光是何时 "决定 "自己的行为是粒子还是波的？光是在实验开始时，即产生时，还是在实验结束时，即被探测到时，还是在两者之间的某个时间段，才决定自己的行为呢？

20 世纪 70 年代末和 80 年代初，理论物理学家约翰-惠勒提出了一些测试方法来回答这个问题。其中一些涉及在光进入仪器后改变实验装置。这将把光能够选择其行为的时间推迟到试验接近尾声时。

惠勒的实验以前也做过，但规模没有这么大。利用轨道卫星上的反射器，研究小组可以在比以往更远的距离上测试量子理论的预测。

量子力学定律......应该对任何距离都有效，对吗？当然，如果不进行测试，我们也无法确定。

地球上的实验仪器一次发出一个光子。然后，这束光被一种叫做分光器的装置分成两波。瓦隆解释说，研究小组将一束光发送到一条稍长的路径上，因此它最终会稍稍落后于它的对应光。

关键在于，科学家们是以这样一种方式分光的：前一波具有水平偏振，后一波具有垂直偏振。换句话说，波的方向不同。

然后，光束经过预处理，就可以被送往太空了。瓦洛内的团队将光束射向一颗卫星，卫星上的反射器将光束送回意大利的仪器。此时，两道光波正向地球返回，其中一道光波稍稍领先于另一道光波。

这就是实验的 "延迟选择 "部分。光波反射后，计算机向液晶发出一个随机信号。根据信号的不同，该装置要么交换两束光的偏振方向，要么保持不变。此时，光线再次通过分光镜。如果偏振保持不变，分光器就会简单地将光重新组合，使其成为单波。如果偏振对调，则会进一步分离，在两个脉冲之间产生明显的延迟，使光作为一个单独的粒子。

只有在光返回地球后，即 10 毫秒往返行程过半时，才决定切换。这就意味着，在光到达探测器的最后一刻，它才 "知道 "科学家们在期待什么。如果瓦隆的研究小组仍然看到相同的行为--当光被重新组合时出现干涉图案，而当光没有被重新组合时出现单次闪烁--他们就会知道这道光同时是粒子和波，直到他们的装置让它在最后选择其中之一。

而事实正是如此。光线像波一样分成了两束，同时又像单个光子一样保持在一起，直到最后，液晶装置迫使它在撞击探测器之前选择其中之一。瓦隆说，量子理论的预言得到了证实--量子力学的超现实本质再次得到了肯定。

安大略省滑铁卢大学的量子物理学家托马斯-詹尼温认为，尽管意大利团队的工作重点是证实之前的实验，但这项测试仍然很有价值。瓦隆团队进行的实验更接近惠勒最初的提议，即依靠光传播的距离来保持长时间的分离。

"詹尼温说："它在太空中，而且距离很远，因此我们越来越接近最初的方案。

惠勒最初的思想实验设想对来自遥远星系的光进行这种测试，这些光被中间的大质量天体沿着两条可能的路径弯向地球。在这种情况下，一个光子可能会同时沿着两条路径旅行，只是在开始旅行数百万年或数十亿年后才被迫选择自己的行为。瓦隆的研究小组没有复制实验的这一方面，但他们能够让光保持奇异的双重状态（称为叠加）长达 10 毫秒--据詹尼温说，与之前的试验相比，这是一个令人印象深刻的长时间。

那么，这意味着什么呢？

惠勒实验的结果可能会让那些喜欢相信确定的物理现实的人感到不安。新发现表明，宇宙中物体的行为从根本上说是不确定的，除非有什么东西迫使它们以某种方式行事。粒子像波一样传播，波凝聚成粒子，没有什么是可以确定预测的，只有概率。

物理学家常常把这些疑虑放在一边，专注于自己的工作。詹尼温有一句名言："闭嘴，计算。"他把这句话归功于康奈尔大学教授戴维-梅尔明。这句话的意思是，科学家们应该努力弄清量子理论背后的数学原理，而不是试图理解它的含义。

詹尼温和瓦隆都不完全信奉这一理论。"Jennewein说："人们几乎花费了一生的时间，试图弄明白这些问题。

"他补充说："我个人认为，当我们观察量子粒子时，我们无法保持我们的经典观点。"对我们来说，这是一种新型概念，在我们的日常生活中没有任何表征。他指出，而日常生活正是我们产生直觉的源泉。

瓦隆也以类似的方式来处理这个概念。"当我们把光子看成一个粒子、一个小球时，我们就[犯了]一个错误。当我们把光子看成水波时，我们[也]犯了一个错误，"他说。"光子在某些情况下似乎表现得像波，或者似乎表现得像粒子。但实际上，它两者都不是。

瓦隆团队进行的实验加入了天基量子研究的新趋势。2016 年 8 月，中国发射了第一颗专门用于测试量子理论及其在量子计算中的应用的卫星。上海的一个团队利用这颗卫星创下了最远量子远距传输的纪录，将一个光子的状态发送到大约1600到2400公里之外。

瓦隆表示，这些壮举可能会应用于计算领域。他说，量子物体可以同时处于两种状态，就像瓦隆实验中的光一样，因此量子计算机可以比传统电子设备编码更多的信息。此外，由于量子态在被观测时会发生变化，因此与传统通信相比，量子通信具有更高的安全性，因为你可以分辨出是否有人试图窃听。

Jennewein 预计会有更多类似 Vallone 小组进行的实验。天基实验使研究人员能够探索量子力学的极限。"他说："这次实验是迈出的第一步，我希望能在太空中看到更多基础量子物理学测试。