中微子實驗打碎傳統認知

主注入器中微子振蕩實驗探測器。圖片來源：R. Hahn/Fermilab

來自一項中微子大型實驗的數據顯示，這種「神出鬼沒」的亞原子必定同時是兩種相互排斥的類型，這打破了人們對現實的感知。這一結論也是量子力學的基本原理。而這些理論通常是由高度受控的量子光學實驗揭示的，而非無法探測的中微子。

「如果你10年前告訴我，我們將能使用中微子研究量子論原理。我會說吸煙讓你興奮過頭了。」未參與該研究的澳大利亞昆士蘭大學物理學家Andrew White說，「這一結論完全不令人驚訝，但絕對有吸引力。因為它告訴人們有驗證量子論原理的新系統。」

根據量子論，極小的事物表現得一點都不像日常物品：與蘋果不同，一個亞原子粒子可以同時在兩個地方或表現出兩種不同的類型。但這些雙向「疊加」態是脆弱的。Measure表示，一個光子能同時在水平和垂直兩個方向發生偏振，而且它也會在一個方向隨機「崩塌」。

此外，量子論還指出，光子的偏振並不存在，直到對其進行測量。但阿爾伯特·愛因斯坦摒棄了該理論，他認為物體的物理性質必須是「一個真實的元素」，存在於測量研究之外。為了拯救「現實論」，一些物理學家認為上述測量研究的結果被光子內部的一些「隱變數」所決定。

1964年，英國物理學家約翰·貝爾提出了一種檢驗方法，可以區分出粒子行為到底是符合愛因斯坦的隱藏變數理論，還是處於量子力學的「幽靈作用」中。他計算髮現，隱藏變數所能解釋的相關性有一個最大值。如果超過了這個值，愛因斯坦的模型就一定是錯誤的。貝爾不等式的誕生，宣告了量子理論的局域性爭議，從帶哲學色彩純粹思辨變為實驗可證偽的科學理論。

實際上，1985年，現供職於美國西北大學的理論學家Anupam Garg和伊利諾伊大學的Anthony Leggett就提出了一條完全不同的解決途徑：與其嘗試「驗證」量子理論，不如設法證明量子理論以外的所有解釋都與實驗觀測相矛盾，因而排除它們。Leggett和Garg發現在不同時刻對同一物體的測量只能在一定程度上具有統計學的相關性，並創立「萊格特-加格不等式」。

2011年，White和同事證實量子光子具有高強度相關性，儘管只是在平均值上，而且並非使用單光子。現在，麻省理工學院中微子物理學家Joseph Formaggio研究團隊使用費米國立加速器實驗室主注入器中微子振蕩（MINOS）實驗數據提供了證據。該實驗讓謬子中微子的束流穿過位於費米實驗室的MINOS近程探測器，然後到450英里以外位於明尼蘇達州的遠程探測器。

中微子出現了3種類型。從費米實驗室出發的是謬子中微子，在途中主要震蕩成電子中微子。MINOS並沒有反覆測量單個中微子，但每種中微子始於相同的狀態，只是隨著離開費米實驗室的時間發生演變。

MINOS沒有測量距費米實驗室不同距離的中微子，因此Formaggio等人無法直接將這與不同飛行時間所得的測量值進行對比。因此，該研究組分析了以不同能量到達明尼蘇達州的謬子中微子數量的等值相關性。

研究人員觀察到了Leggett和Garg預測的強相關性，並於近日將相關成果發表於《物理評論快報》。「正如我們所料，有很明顯的效果。」Formaggio說，該數據強調中微子沒有「種類」直到它被實際測量出來。

Garg表示，這一結論並不令人驚訝，正如中微子振蕩是量子力學的固有機制。但他還指出，探索量子論和經典世界的衝突是一個新領域。

Formaggio和White表示，下一步，研究人員將確定中微子能否以另外一種方式檢驗量子論。Garg還希望有人能推動他與Leggett提出的原始理論：「宏觀實在論」，即足夠大的物體在同一時間只能在同一個位置（即宏觀疊加態不可能存在）；人們可以準確測定這一物體的位置，而不會干擾它。

無論如何，正如澳大利亞昆士蘭大學物理學家Alessandro Fedrizzi提到的那樣，到底什麼才是真正的事實？而真正令人激動的是設計出檢驗事實上是否有任何客觀實體存在的測試。（張章）

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