一个粒子能同时出现在两个不同的地方吗？在量子物理学中，答案是肯定的：量子理论允许物体同时处于不同的态，或者更准确地说——处于叠加态。
但是，事实果真如此吗？有没有可能这个粒子只是处于一个非常特殊的态、位于一个非常特殊的位置，只是我们不知道呢？量子物体的行为是否可以用一个简单的、更经典的理论来描述？这是一个已经被讨论了数十年的问题。
1985年，物理学家Anthony James Leggett和Anupam Garg提出了一种测量方法。他们建立了一组不等式，即Leggett-Garg不等式，并表明任何可用于描述这个世界的、不涉及量子理论中奇异的叠加态的理论，都必须遵循该不等式，而量子理论则会违反。
过去，科学家已经在各种微观系统（如超导量子比特、核自旋、光子）中进行了大量的实验来测试遵循和违反这一不等式的行为。现在，在一项于近期发表于《物理评论快报》的新研究中，维也纳大学的一组物理学家首次利用中子实验，对这个不等式进行了测试。他们得到的结果明确表明：对中子系统来说，Leggett-Garg不等式被违反了。
物理实在论
通常，我们假设每个物体都有一定的属性，比如一个球位于某个特定的位置，它有一定的速度，也许还有一定的旋转。这与我们是否对球进行观测无关，它的这些属性是客观的、独立于我们的观测的。这种观点就被称为“实在论”。
从日常经验中我们知道，大的、宏观的物体都必须遵循这一规则。我们还知道，肉眼可见的宏观物体可以在不受显著影响的情况下被观测，而这些观测不会从根本上改变物体的状态。这些假设统称为“宏观实在论”。
然而，现在我们知道，量子理论却违反了这种宏观实在论。如果一个量子粒子可以有不同的可能态，例如不同的位置、速度或能量，那么这些态的任何组合也是可能的，至少只要这个态不被测量。在测量过程中，叠加态被破坏，换言之，测量会迫使粒子选择其中一个可能的值。
Leggett-Garg不等式
然而，量子世界必须在逻辑上与宏观世界相连，因为任何大的物体也都是由微小的量子粒子组成的。理论上，量子理论应该适用于一切事物。
所以问题就来了：有没有可能在“大”物体中，观测到与我们直观的宏观实在论绘景不一致的行为？宏观的物体也能清晰地显示出量子特性的迹象吗？
Leggett-Garg不等式就是一个可以用来检验宏观实在论的公式，它背后的思想与著名的贝尔不等式相似。但贝尔不等式处理的是两个在空间上分离的粒子的行为的相关性的问题；而Leggett-Garg不等式处理的是一个物体随时间的变化。
换句话说，Leggett-Garg不等式可以告诉我们实在论在日常世界中是否成立。它提出的问题是：一个物体在特定时间点的态，与它在其他特定时间点的态有何关系？
更强的相关性
Leggett和Garg假设，一个物体可以在三个不同的时间点被测量，每次测量都会产生两个不同的结果。即便我们完全不知道这个物体的状态是否会随时间变化以及如何随时间变化，我们仍然可以通过统计分析来了解不同时间点的结果彼此之间的相关性。
假设宏观实在论是正确的，那么物理学家可以通过数学方法证明，这些相关性的强度永远不会超过某个水平。因此，Leggett和Garg就建立了一个不等式，对于每个宏观实在论的理论来说，不管理论的细节为何，它们都必须满足这个不等式。
但是，如果物体遵循的是量子理论的规则，那么在三个不同时间点的测量结果之间，必须存在明显更强的统计相关性。Laggett和Garg认为，如果一个物体在测量时间之间的同一时间处于不同的态，就必然会导致三次测量之间的相关性更强。
然而，想要通过实验来证实这一猜测却非常棘手。如果物理学家想要测试宏观实在论，那么就需要用到既宏观又能表现出量子特性的物体。
中子束：厘米级的量子物体
在新的研究中，物理学家发现，中子干涉仪中的中子束是进行这项测量的完美选择。在新研究所使用的中子干涉仪中，入射的中子束会在遇到第一块晶体板时被分成两份粒子束，然后这两束粒子会通过另一块硅而重新结合。因此，中子可以通过两种不同的方式从源传播到探测器。
中子束（绿）被分成两部分，然后再结合。每一个中子同时沿着两条路径运动。（图/tuwien.at）
根据量子理论，每一个中子都同时在两条路径上运动。然而，这两束粒子束相距几厘米。从某种意义上说，在量子标准下看，物理学家处理的是一个巨大的量子物体。
通过采用几个复杂的中子测量组合，研究人员测试了Leggett-Garg不等式。他们的结果清晰地显示：不等式被违反了——中子的行为无法以任何可想象的宏观实在论来解释，它们都同时在两条路径上运动，同时位于不同的、相距几厘米的地方。
这样的结果驳斥了“也许中子只在两条路径中的一条上运动，只是我们不知道是哪一条”的观点。它表明，这个世界真的像量子理论所描述的那样奇怪。如果没有量子物理，无论用哪种经典的宏观实在论，都永远无法解释现实。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.ucl.ac.uk/quantum/news/2021/nov/quantum-experiment-could-prove-reality-doesnt-exist
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/neutronen-auf-klassisch-unerklaerlichen-bahnen
https://arxiv.org/pdf/1304.5133
#图片来源：
封面图 & 首图：Pixabay
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