1.媒体来源:
SciTechDaily
2.记者署名:
维也纳 科技大学
3.完整新闻标题:
令人费解的发现：中子在惊人的实验中挑战经典物理学
4.完整新闻内文:
大自然真的像量子理论所说的那么奇怪吗？ 中子测量证明：如果没有量子理论的奇怪特
性，它就无法发挥作用。
量子理论允许粒子以叠加态存在，违反了经典实在论。 Leggett-Garg 不等式透过将量子
行为与经典期望进行比较来检验这一点。 维也纳工业大学最近的中子束实验证实，粒子
确实违反了这个不等式，从而增强了量子理论相对于经典解释的有效性。
量子叠加：粒子可以同时出现在两个地方吗？
一个粒子可以同时存在于两个不同的地方吗？ 在量子物理学中，它可以： 量子理论允许
物体同时处于不同的状态 - 或者更准确地说：处于叠加状态，结合不同的可观察状态。
但事实真的是这样吗？ 也许粒子实际上处于非常特定的状态，处于非常特定的位置，但
我们只是不知道？
量子物体的行为是否可以用简单的、更经典的理论来描述的问题已经讨论了几十年。
1985 年，一种衡量这一点的方法：所谓的“Leggett-Garg 不等式”被提出。任何描述
我们的世界而没有量子理论奇怪的叠加态的理论都必须遵守这个不等式。 另一方面，量
子理论则违反了这一点。 维也纳工业大学首次用中子进行了测试，以测试这种“
Leggett-Garg 不等式"，结果很明确：Leggett-Garg 不等式被违反，经典解释是不可能
的，量子理论获胜。 研究结果现已发表在《 物理评论快报》 杂志。
探索物理现实主义
我们通常假设每个物体都有一定的属性：一个球位于某个位置，它有一定的速度，也许还
有一定的旋转。 我们是否观察球并不重要。 它具有这些属性，非常客观且独立于我们之
外。 “这种观点被称为‘现实主义’，”维也纳工业大学原子研究所的斯蒂芬·斯波纳
(Stephan Sponar) 说。
我们从日常经验中知道，大型宏观物体尤其必须遵守这项规则。 我们也知道，宏观物体
可以在不受到显著影响的情况下进行观察。 测量不会从根本上改变状态。 这些假设统称
为“宏观现实主义”。
量子理论与宏观实在论
然而，我们今天所知的量子理论是一种违反这种宏观实在论的理论。 如果量子粒子可能
有不同的状态，例如不同的位置、速度或能量值，那么这些状态的任何组合也是可能的
。 至少只要不测量这种状态。 在测量过程中，叠加态被破坏：测量迫使粒子决定支持可
能的值之一。
尽管如此，量子世界必须与宏观世界在逻辑上连结起来——毕竟，大的事物是由微小的量
子粒子组成的。 原则上，量子理论的规则应该适用于一切。
所以问题是：是否有可能观察到与我们对宏观现实主义的直觉图像不一致的“大”物体的
行为？ 宏观事物也能表现出明显的量子特性吗？
了解 Leggett-Garg 不等式
1985 年，物理学家 Anthony James Leggett 和 Anupam Garg 发表了一个可以测试宏观
现实主义的公式：Leggett-Garg 不等式。 “背后的想法类似于更著名的贝尔不等式，该
不等式于 2022 年荣获诺贝尔物理学奖，”该论文的第一作者 Elisabeth Kreuzgruber
说。 “然而，贝尔不等式涉及一个粒子的行为与另一个量子纠缠粒子的相关性有多强的
问题。 Leggett-Garg 不等式只涉及一个对象，并提出了一个问题：它在特定时间点的状
态与同一对象在其他特定时间点的状态有何关系？”
相关性比经典物理学更强
Leggett 和 Garg 假设一个物体可以在三个不同的时间进行测量，每次测量可以有两个不
同的结果。 即使我们根本不知道该物件的状态是否或如何随时间变化，我们仍然可以统
计分析不同时间点的结果相互关联的程度。
可以从数学上证明，假设宏观现实主义是正确的，这些相关性的强度永远不会超过某个水
平。 莱格特和加格能够建立一个不等式，无论理论的任何细节如何，每个宏观现实理论
都必须始终满足该不等式。
然而，如果物体遵循量子理论的规则，那么三个不同时间点的测量结果之间必定存在明显
更强的统计相关性。 根据 Leggett 和 Garg 的说法，如果一个物体实际上在测量时间之
间同时处于不同的状态，这必然会导致三个测量之间更强的相关性。
中子束：公分大小的量子物体
“然而，透过实验研究这个问题并不容易，”理查德·瓦格纳说。 “如果我们想测试宏
观现实主义，那么我们需要一个在某种意义上是宏观的物体，即其尺寸与我们日常物体的
尺寸相当。” 但同时，它必须是一个仍然有机会表现出量子特性的物体。
“我们在中子干涉仪中使用的中子束非常适合这项任务，”哈特穆特·莱梅尔(Hartmut
Lemmel) 说道，他是格勒诺布尔劳厄-朗之万研究所(ILL ) 的S18 仪器负责人，实验是在
该研究所进行的。 中子干涉仪是一种硅完美晶体干涉仪，于20 世纪70 年代初在维也纳
工业大学原子研究所首次成功使用，入射中子束在第一块晶体板上被分成两部分束，然后
由另一块硅重新组合。 因此，中子可以透过两种不同的方式从来源行进到探测器。
“量子理论表明，每个中子同时在两条路径上传播，”尼尔斯·吉里茨说。 “不过，两
根部分光束相距数公分。 从某种意义上说，我们正在处理一个以量子标准来说是巨大的
量子物体。
中子违反 Leggett-Garg 不等式
利用多种中子测量的复杂组合，维也纳工业大学的团队能够测试 Leggett-Garg 不等式，
结果很明确：不等式被违反。 中子的行为方式无法用任何可以想像的宏观现实理论来解
释。 它们实际上同时在两条路径上行进，同时位于相距厘米的不同位置。 “也许中子只
在两条路径之一上行进，我们只是不知道哪一条”的观点因此被驳斥。
“我们的实验显示：大自然确实像量子理论所声称的那样奇怪，”史蒂芬‧斯波纳说。
“无论你提出哪一种经典的、宏观现实的理论：它永远无法解释现实。 没有量子物理学
，它就行不通。
参考文献：“在中子干涉测量中使用理想负测量违反 Leggett-Garg 不等式”，作者：
Elisabeth Kreuzgruber、Richard Wagner、Niels Geerits、Hartmut Lemmel 和
Stephan Sponar，2024 年 6 月 24 日，《 物理评论快报》 。
DOI：10.1103/PhysRevLett.132.260201
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