在我们日常的古典世界里，你看到的就是你得到的。一个球就是一个球，当它在空中盘旋时，它的轨迹是直接而清晰的。但如果这个球缩小到一个原子大小或更小，它的行为就会变成一个量子的、模糊的现实。这个球不仅作为一个物理粒子存在，而且作为一个可能粒子状态的波存在。这种波粒二象性会产生一些奇怪的现象。

其中一个更奇怪的前景来自一个被称为“量子炸弹测试器”的思想实验。该实验提出，量子粒子，如光子，可以作为一种心灵遥感炸弹探测器。通过其粒子和波的特性，光子在理论上可以感应到炸弹的存在，而无需与之发生物理反应。

这个概念在数学上得到了验证，并且与量子力学的方程所允许的一致。但是，当谈到粒子如何完成这样的炸弹嗅探壮举时，物理学家们被难住了。难题在于量子粒子固有的摇摆不定、居间不定、不可定义的状态。换句话说，科学家们只需要相信它是有效的。

但麻省理工学院的数学家们希望能解开其中的一些谜团，并最终建立一幅更具体的量子力学图景。他们现在已经证明，他们可以重建一个量子炸弹测试器的模拟物，并产生实验预测的行为。他们不是在一个奇异的、微观的、量子的环境中这样做的，而是在一个看似平凡的、经典的桌面环境中这样做的。

在今天发表在《物理评论a》上的一篇论文中，该团队报告了在一项研究弹跳液滴的实验中重建量子炸弹测试器的情况。研究小组发现，液滴与自身波的相互作用类似于光子的量子波粒行为:当液滴被放入类似于量子炸弹测试中提出的配置中时，液滴的行为与光子预测的统计方式完全相同。如果在50%的时间里真的有一个炸弹，液滴，像光子一样，会在25%的时间里探测到它，而不与它发生物理反应。

这两个实验中的统计数据相符的事实表明，液滴经典动力学中的某些东西可能是光子神秘量子行为的核心。研究人员将这项研究视为连接两个现实的另一座桥梁:可观测的经典世界和更模糊的量子领域。

“在这里，我们有一个经典系统，它给出了与量子炸弹测试相同的统计数据，这被认为是量子世界的奇迹之一，”研究作者、麻省理工学院应用数学教授约翰·布什说。事实上，我们发现这种现象并没有那么奇妙。这是量子行为的另一个例子，可以从局部现实主义的角度来理解。”

布什的合著者是前麻省理工学院博士后瓦莱里·弗鲁姆金。

波澜

对一些物理学家来说，量子力学给人们留下了太多的想象空间，并没有充分说明产生这种奇怪现象的实际动力学。1927年，为了使量子力学具体化，物理学家路易斯·德布罗意提出了先导波理论——一个至今仍有争议的观点，认为粒子的量子行为不是由可能状态的无形统计波决定的，而是由它自己制造的物理“先导”波决定的，它引导粒子穿过空间。

直到2005年物理学家伊夫·库德(Yves Couder)发现德布罗意的量子波可以在一个经典的基于流体的实验中被复制和研究，这个概念才被普遍忽视。这个装置包括一个液体浴，它可以微妙地上下振动，尽管还不足以产生波浪。然后将一毫米大小的相同液体液滴洒在浴缸上，当它从表面反弹时，液滴与浴缸的振动产生共鸣，产生物理学家所知的驻波场，“引导”或推动液滴前进。其效果是一个液滴似乎沿着波纹表面行走，其模式与德布罗意的导波理论一致。

在过去的13年里，布什一直致力于完善和扩展库德的流体动力学导波实验，并成功地使用该装置观察了表现出涌现的、量子样行为的液滴，包括量子隧道、单粒子衍射和超现实轨迹。

布什说:“事实证明，这个流体动力导波实验展示了量子系统的许多特征，这些特征以前被认为是不可能从经典的角度来理解的。”

投弹完毕

在他们的新研究中，他和弗鲁姆金采用了量子炸弹测试器。这个思想实验从一个概念性的干涉仪开始——本质上，两条相同长度的走廊从相同的起点分叉，然后转弯并汇聚，形成一个菱形的结构，因为走廊继续前进，每条走廊都在各自的探测器中结束。

根据量子力学，如果一个光子从干涉仪的起点发射，通过一个分束器，粒子应该以相同的概率沿着两条通道中的一条行进。与此同时，光子神秘的“波函数”，或者说它所有可能状态的总和，同时沿着两条通道行进。波函数以这样一种方式进行干涉，以确保粒子只出现在一个检测器(我们称之为D1)上，而不会出现在另一个检测器(D2)上。因此，无论光子穿过哪个通道，它都应该100%在D1处被探测到。

如果两个通道中的一个有炸弹，而一个光子沿着这条通道往下走，它就会触发炸弹，装置就会被炸成碎片，两个探测器都探测不到光子。但是，如果光子在没有炸弹的情况下沿着走廊传播，就会发生奇怪的事情:它的波函数，在沿着两条走廊传播时，在一条走廊上被炸弹缩短了。因为它不完全是粒子，所以波不会引爆炸弹。但是波的干涉被改变了，使得粒子在D1和D2处被探测到的概率相等。因此，D2上的任何信号都意味着光子探测到了炸弹的存在，而无需与之发生物理反应。如果炸弹出现的概率是50%，那么这种奇怪的量子炸弹探测应该出现的概率是25%。

在他们的新研究中，布什和弗鲁姆金建立了一个类似的实验，看看这种量子行为是否会出现在经典的液滴中。他们将一个类似于思维实验中菱形走廊的结构浸入硅油中。然后，他们小心地将微小的油滴滴入浴缸，并追踪它们的路径。他们在菱形的一侧添加了一个结构来模拟一个类似炸弹的物体，并观察了液滴及其波动模式是如何变化的。

最后，他们发现，在没有“炸弹”的情况下，有25%的情况下，液滴在走廊上反弹，而它的溢出波与炸弹结构相互作用，使液滴远离炸弹。从这个角度来看，液滴能够“感知”到类似炸弹的物体，而不需要与它发生物理接触。虽然液滴表现出类似量子的行为，但研究小组可以清楚地看到，这种行为是从液滴的波中产生的，这在物理上有助于使液滴远离炸弹。研究小组说，这些动力学也可能有助于解释量子粒子的神秘行为。

弗鲁姆金说:“不仅统计数据是相同的，而且我们也知道动力学，这是一个谜。”“推论是，类似的动力学可能是量子行为的基础。”

“这个系统是我们所知道的唯一一个例子，它不是量子的，但具有一些强波粒子特性，”法国国家科学研究中心的理论物理学家Matthieu Labousse说，他没有参与这项研究。“令人非常惊讶的是，许多被认为是量子世界特有的例子可以通过这样一个经典系统重现。它使我们能够理解量子系统特有的和非量子系统特有的之间的屏障。麻省理工学院研究小组的最新成果将这一障碍推得很远。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。