1.媒體來源:
SciTechDaily
2.記者署名:
維也納 科技大學
3.完整新聞標題:
令人費解的發現：中子在驚人的實驗中挑戰經典物理學
4.完整新聞內文:
大自然真的像量子理論所說的那麼奇怪嗎？ 中子測量證明：如果沒有量子理論的奇怪特
性，它就無法發揮作用。
量子理論允許粒子以疊加態存在，違反了經典實在論。 Leggett-Garg 不等式透過將量子
行為與經典期望進行比較來檢驗這一點。 維也納工業大學最近的中子束實驗證實，粒子
確實違反了這個不等式，從而增強了量子理論相對於經典解釋的有效性。
量子疊加：粒子可以同時出現在兩個地方嗎？
一個粒子可以同時存在於兩個不同的地方嗎？ 在量子物理學中，它可以： 量子理論允許
物體同時處於不同的狀態 - 或者更準確地說：處於疊加狀態，結合不同的可觀察狀態。
但事實真的是這樣嗎？ 也許粒子實際上處於非常特定的狀態，處於非常特定的位置，但
我們只是不知道？
量子物體的行為是否可以用簡單的、更經典的理論來描述的問題已經討論了幾十年。
1985 年，一種衡量這一點的方法：所謂的「Leggett-Garg 不等式」被提出。任何描述
我們的世界而沒有量子理論奇怪的疊加態的理論都必須遵守這個不等式。 另一方面，量
子理論則違反了這一點。 維也納工業大學首次用中子進行了測試，以測試這種“
Leggett-Garg 不等式"，結果很明確：Leggett-Garg 不等式被違反，經典解釋是不可能
的，量子理論獲勝。 研究結果現已發表在《 物理評論快報》 雜誌。
探索物理現實主義
我們通常假設每個物體都有一定的屬性：一個球位於某個位置，它有一定的速度，也許還
有一定的旋轉。 我們是否觀察球並不重要。 它具有這些屬性，非常客觀且獨立於我們之
外。 “這種觀點被稱為‘現實主義’，”維也納工業大學原子研究所的斯蒂芬·斯波納
(Stephan Sponar) 說。
我們從日常經驗中知道，大型宏觀物體尤其必須遵守這項規則。 我們也知道，宏觀物體
可以在不受到顯著影響的情況下進行觀察。 測量不會從根本上改變狀態。 這些假設統稱
為「宏觀現實主義」。
量子理論與宏觀實在論
然而，我們今天所知的量子理論是一種違反這種宏觀實在論的理論。 如果量子粒子可能
有不同的狀態，例如不同的位置、速度或能量值，那麼這些狀態的任何組合也是可能的
。 至少只要不測量這種狀態。 在測量過程中，疊加態被破壞：測量迫使粒子決定支持可
能的值之一。
儘管如此，量子世界必須與宏觀世界在邏輯上連結起來——畢竟，大的事物是由微小的量
子粒子組成的。 原則上，量子理論的規則應該適用於一切。
所以問題是：是否有可能觀察到與我們對宏觀現實主義的直覺圖像不一致的「大」物體的
行為？ 宏觀事物也能表現出明顯的量子特性嗎？
了解 Leggett-Garg 不等式
1985 年，物理學家 Anthony James Leggett 和 Anupam Garg 發表了一個可以測試宏觀
現實主義的公式：Leggett-Garg 不等式。 「背後的想法類似於更著名的貝爾不等式，該
不等式於 2022 年榮獲諾貝爾物理學獎，」該論文的第一作者 Elisabeth Kreuzgruber
說。 「然而，貝爾不等式涉及一個粒子的行為與另一個量子糾纏粒子的相關性有多強的
問題。 Leggett-Garg 不等式只涉及一個對象，並提出了一個問題：它在特定時間點的狀
態與同一對象在其他特定時間點的狀態有何關係？」
相關性比經典物理學更強
Leggett 和 Garg 假設一個物體可以在三個不同的時間進行測量，每次測量可以有兩個不
同的結果。 即使我們根本不知道該物件的狀態是否或如何隨時間變化，我們仍然可以統
計分析不同時間點的結果相互關聯的程度。
可以從數學上證明，假設宏觀現實主義是正確的，這些相關性的強度永遠不會超過某個水
平。 萊格特和加格能夠建立一個不等式，無論理論的任何細節如何，每個宏觀現實理論
都必須始終滿足該不等式。
然而，如果物體遵循量子理論的規則，那麼三個不同時間點的測量結果之間必定存在明顯
更強的統計相關性。 根據 Leggett 和 Garg 的說法，如果一個物體實際上在測量時間之
間同時處於不同的狀態，這必然會導致三個測量之間更強的相關性。
中子束：公分大小的量子物體
「然而，透過實驗研究這個問題並不容易，」理查德·瓦格納說。 「如果我們想測試宏
觀現實主義，那麼我們需要一個在某種意義上是宏觀的物體，即其尺寸與我們日常物體的
尺寸相當。」 但同時，它必須是一個仍然有機會表現出量子特性的物體。
「我們在中子乾涉儀中使用的中子束非常適合這項任務，」哈特穆特·萊梅爾(Hartmut
Lemmel) 說道，他是格勒諾布爾勞厄-朗之萬研究所(ILL ) 的S18 儀器負責人，實驗是在
該研究所進行的。 中子乾涉儀是一種矽完美晶體干涉儀，於20 世紀70 年代初在維也納
工業大學原子研究所首次成功使用，入射中子束在第一塊晶體板上被分成兩部分束，然後
由另一塊矽重新組合。 因此，中子可以透過兩種不同的方式從來源行進到探測器。
「量子理論表明，每個中子同時在兩條路徑上傳播，」尼爾斯·吉里茨說。 「不過，兩
根部分光束相距數公分。 從某種意義上說，我們正在處理一個以量子標準來說是巨大的
量子物體。
中子違反 Leggett-Garg 不等式
利用多種中子測量的複雜組合，維也納工業大學的團隊能夠測試 Leggett-Garg 不等式，
結果很明確：不等式被違反。 中子的行為方式無法用任何可以想像的宏觀現實理論來解
釋。 它們實際上同時在兩條路徑上行進，同時位於相距厘米的不同位置。 「也許中子只
在兩條路徑之一上行進，我們只是不知道哪一條」的觀點因此被駁斥。
「我們的實驗顯示：大自然確實像量子理論所聲稱的那樣奇怪，」史蒂芬‧斯波納說。
「無論你提出哪一種經典的、宏觀現實的理論：它永遠無法解釋現實。 沒有量子物理學
，它就行不通。
參考文獻：“在中子乾涉測量中使用理想負測量違反 Leggett-Garg 不等式”，作者：
Elisabeth Kreuzgruber、Richard Wagner、Niels Geerits、Hartmut Lemmel 和
Stephan Sponar，2024 年 6 月 24 日，《 物理評論快報》 。
DOI：10.1103/PhysRevLett.132.260201
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6.備註:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.260201