自然真的像量子理论所说的那样奇怪吗？还是说有更简单的解释？中子测量证明：没有量子理论的奇特性质，这是行不通的。

量子理论允许粒子处于叠加态，这与经典实在论相违背。莱格特-加各不等式通过将量子行为与经典预期相比较来检验这一点。维也纳工业大学最近的中子束实验证实，粒子确实违反了这一不等式，进一步证明了量子理论相对于经典解释的有效性。

量子叠加：粒子能否同时出现在两个地方？

一个粒子能同时在两个不同的位置吗？在量子物理中，是可以的：量子理论允许物体同时处于不同的状态——或者更确切地说：处于叠加态，即不同的可观测状态组合在一起。但真的是这样吗？也许粒子实际上处于非常特定的状态，在非常特定的位置，但我们只是不知道？

几十年来，人们一直在讨论是否能用简单、更经典的理论来描述量子物体的行为。1985年，有人提出了衡量这一问题的方法：即所谓的“Leggett-Garg不等式”。任何描述我们的世界而不涉及量子理论的奇异叠加态的理论都必须遵守这一不等式。然而，量子理论却违反了这一不等式。维也纳工业大学首次对中子进行了这项“Leggett-Garg不等式”的测试，结果明确：Leggett-Garg不等式被违反，经典解释不可能，量子理论胜出。该研究结果现已在《物理评论快报》上发表。

探索物理现实主义

我们通常假设每个物体都有一些属性：一个球处于某个位置，它有一个特定的速度，也许还有一定的旋转。无论我们是否观察到这个球，它都具有这些相当客观和独立的属性。“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·斯波纳尔说。

我们从日常经验中知道，特别是大型的宏观物体必须遵守这个规则。我们也知道，可以在不受显著影响的情况下观察宏观物体。测量从根本上不会改变状态。这些假设统称为“宏观实在论”。

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背这种宏观现实的理论。例如，如果一个量子粒子可能处于不同的状态，即不同的位置、速度或能量值，那么这些状态的任何组合也是可能的。至少，只要这种状态没有被测量。在测量过程中，叠加态被破坏了：测量迫使粒子选择其中一个可能的值。

然而，量子世界在逻辑上必须与宏观世界相连——毕竟，大事物是由小的量子粒子组成的。从原则上讲，量子理论的规则应该适用于万物。

所以问题是：是否有可能在“大”物体中观察到与我们对宏观实在论的直观理解不相符的行为？宏观事物是否也会表现出量子特性的明显迹象？

理解莱格特-加格不等式

1985年，物理学家安东尼·詹姆斯·莱格特和阿努潘·加格提出了一个可以检验宏观现实性的公式：莱格特-加格不等式。“这一公式的思路与更著名的贝尔不等式相似，后者于2022年获得了诺贝尔物理学奖，”论文第一作者伊丽莎白·克劳斯格鲁伯说。“然而，贝尔不等式是关于一个粒子的行为与另一个量子纠缠粒子的行为之间的关系强度的问题。莱格特-加格不等式只关注一个单一的物体，并询问以下问题：它的状态在特定时间点如何与同一物体在其他特定时间点的状态相关？”

比经典物理学允许更强的相关性

莱格特和加格设想了一个可以在三个不同时间点测量的物体，每次测量都可以有两个不同的结果。即使我们完全不知道这个物体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上的结果之间的相关性强度。

通过数学方法可以证明，如果宏观现实性是正确的，那么这些相关性的强度就永远不能超过某个水平。莱格特和加尔格能够建立一个不等式，该不等式必须始终由每一个宏观现实性理论所满足，无论该理论的细节如何。

然而，如果对象遵循量子理论的规则，那么在三个不同时间点的测量结果之间必定存在更强的统计相关性。如果物体在测量时间之间同时处于不同的状态，那么根据莱格特和加格的理论，这必将导致三次测量之间出现更强的相关性。

中子束：厘米级量子物体

“然而，从实验的角度研究这个问题并不简单，”理查德·瓦格纳表示，“如果我们想检验宏观实在论，那么我们需要一个在某种意义上属于宏观范畴的物体，即它的尺寸要与我们平常看到的日常物体的尺寸相当。”然而，与此同时，它必须是一个有机会展示量子特性的物体。

“我们在中子干涉仪中使用的中子束非常适合这项工作，”格勒诺布尔劳厄-朗之万研究所（ILL）S18仪器的仪器负责人哈特穆特·莱梅尔说，该实验就是在那里进行的。在中子干涉仪中，硅完美晶体干涉仪在20世纪70年代早期首次在维也纳工业大学原子研究所成功使用，入射中子束在第一块晶体板上被分成两束，然后再由另一块硅重新组合。因此，中子从源到探测器有两种不同的路径。

“量子理论表明，每一个中子同时沿两条路径行进，”尼尔斯·吉里茨（Niels Geerits）表示，“然而，两束部分光线相隔数厘米。从某种意义上讲，我们正在处理的量子物体在量子标准下是巨大的。”

用中子违反莱格特-加格不等式

通过几种中子测量的复杂组合，维也纳科技大学的研究团队能够对莱格特-加格不等式进行检验——结果是清晰的：该不等式被违反了。中子的行为无法用任何可设想的宏观现实主义理论来解释。它们实际上同时在两条路径上运动，位于相隔数厘米的不同位置。因此，“也许中子只是在两条路径中的一条上运动，只是我们不知道是哪一条”的想法已经被推翻了。

斯蒂芬·斯波纳尔说：“我们的实验表明：自然真的像量子理论所宣称的那样奇怪。无论你提出什么样的经典、宏观现实的理论：它都无法解释现实。没有量子力学是不行的。”

参考文献：“使用中子干涉测量中的理想负测量违反莱格特-加格不等式”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