北京
量子物理的一个基础假设，最近被实验第一次直接验证了。这个假设由理查德·费曼在近80年前提出，长期以来一直是现代物理学许多领域的基石。
量子粒子出了名的难以分析，因为一旦与它们互动，就会影响它们的性质。但研究人员已经开发出强大的数学工具，用来预测粒子在特定条件下可能会做什么。
其中一种工具就是“费曼路径积分”。它认为，一个量子粒子在两个点之间最可能走的路径，可以通过一种特殊方式对所有可能路径求和来计算得出。自从费曼在1948年提出以来，路径积分已经进入教科书，如今对许多科学家来说都不可或缺，包括研究粒子的物理学家。
现在，费曼的这个想法首次在实验中被直接检验。
实验怎么做：测量光子传播子
华南师范大学的朱诗亮和他的同事们，在过去的实验基础上完成了这项工作。他们之前测量过一种与光子相关的量子对象，这个对象被称为“传播子”。
传播子可以预测光子的量子态在实验装置中从一处传播到另一处时如何变化——在这个实验里，就是光子穿过一个由微型镜子、透镜和晶体组成的迷宫时的变化。
此前，这个团队已经研究出如何测量光子的不同性质，比如偏振，然后重建它们的传播子。现在，他们意识到，一个给定光子的路径积分，可以通过测量一连串传播子然后将它们相乘来构建。
具体来说，他们测量了一个光子在实验中穿行时的五个传播子。由于这五个传播子中的每一个在光子穿过迷宫时都有非常多的变化方式，研究人员最终测量了1,419,857条不同的路径。然后，他们把所有路径代入费曼的路径积分公式，看它预测光子会如何表现——结果发现，预测与光子的实际行为一致。
“看到它起作用，仍然令人震惊”
“鉴于费曼的公式在近八十年里取得的非凡成功，这个结果本身并不出人意料。但看到它起作用……仍然令人震惊。”朱诗亮说，“‘对所有路径求和’这个熟悉的说法，不再只是教科书里的一个象征性指令，我们能看到它的结果直接从实验数据中涌现出来。”
他说，这个实验非常有挑战性，因为测试的路径数量庞大，为误差和实验噪声打开了大门，这些噪声很容易累积起来，让最终结果变得无法理解。
“我们几乎必须同时改进实验的每一个方面。”朱诗亮说。团队必须大幅提高他们过去实验的精度，因为如果按原样使用，经过五次传播子乘法之后，数据就会变得无法辨认。
为什么这件事值得关注
费曼路径积分是量子力学中最核心的工具之一。它被广泛用于从粒子物理到凝聚态物理的各个领域，也是许多现代技术——比如量子计算和半导体设计——背后理论框架的一部分。
但在此之前，这个公式虽然被反复使用、验证了无数次，却从未被直接检验过。它更像是一个“好用但没被直接看过”的工具。这次实验的意义在于，它第一次把路径积分的预测结果和光子的实际行为放在一起直接对比，并且两者吻合。
换句话说，科学家们以前是“用着顺手所以相信它”，现在则是“亲眼看到了它工作”。
实验的难点在哪里
这个实验之所以难，不是因为原理复杂，而是因为路径数量实在太多了。五个传播子，每个在光子穿过迷宫时都有大量可能的变化方式，组合起来就是超过140万条路径。每一条路径都需要被精确测量，任何一条路径上的误差都可能累积起来，最终淹没真正的信号。
朱诗亮说，团队不得不几乎同时改进实验的每一个环节，包括提高测量精度、控制噪声、优化装置设计。这就像是在一个极其嘈杂的环境里，试图听清一个非常微弱的声音——而且这个声音是由140万个微小的音符组成的。
这次验证意味着什么
从科学角度看，这次实验验证了一个已经用了80年的理论工具，确认了它的预测能力。虽然结果并不令人意外——毕竟费曼的公式已经在无数应用中证明了自己——但直接验证仍然有它的价值。
从更实际的角度看，这次实验展示了一种新的技术能力：能够直接测量和重构光子的路径积分。这种能力未来可能对量子信息处理、量子模拟等领域有用，因为那些领域恰恰需要精确控制光子的行为。
当然，这次实验验证的是光子的路径积分。费曼的公式是否在所有量子系统中都同样成立，科学界目前还没有定论——但至少，在光子的世界里，它被直接看到了。
这件事本身没那么神奇，真正神奇的是：一个80年前写在纸上的数学公式，今天依然能精确描述微观世界的运行方式。而且，我们现在终于能亲眼看到它工作了。
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