Kwantummechanica is een pijler van moderne wetenschap en technologie, en heeft de menselijke samenleving een eeuw lang geprofiteerd. De golffunctie, ook bekend als de kwantumtoestand, is de beschrijving van een kwantumobject en speelt een centrale rol in de kwantummechanica. Niettemin, de aard van de golffunctie staat nog ter discussie. Tot dusver, er zijn verschillende interpretaties van de golffunctie geweest, inclusief de Kopenhagen-interpretatie, de pilootgolfinterpretatie van De Broglie, en de veelwereldinterpretatie.

Onder hen, de Kopenhagen-interpretatie domineert. Het behandelt de golffunctie slechts als een complexe waarschijnlijkheidsamplitude die wordt gebruikt om de kans te berekenen dat het kwantumobject op een bepaalde plaats wordt gevonden. In dit geval, de golffunctie is een puur wiskundig hulpmiddel, en wordt dus verondersteld alleen de kennis van verschijnselen te verschaffen. Echter, de Kopenhagen-interpretatie kan het echte bestaan ​​van het kwantumobject niet beschrijven. Vandaar, het onderzoeken van de aard van de golffunctie is van fundamenteel belang voor het ontsluiten van de mysterieuze kwantumwereld.

In een recente studie, een realistische interpretatie (REIN) voor de golffunctie werd voorgesteld door Gui-Lu Long, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde, Tsinghua universiteit, in de Chinese stad Peking. De REIN stelt dat de golffunctie van een kwantumobject een werkelijke toestand is in plaats van een louter wiskundige beschrijving - met andere woorden, het kwantumobject in de ruimte bestaat in de vorm van de golffunctie. Om dit aan te tonen, Gui-Lu Long en zijn medewerkers, Wei Qin, Zhe Yang en Jun-Lin Li, ook van het departement Natuurkunde, Tsinghua universiteit, ontwierp een ontmoeting-vertraagd-keuze-experiment en realiseerde het schema experimenteel. Deze studie, getiteld "Realistische interpretatie van kwantummechanica en ontmoeting-vertraagde keuze-experiment, " is gepubliceerd in Wetenschap China Natuurkunde, Mechanica en astronomie .

De onderzoekers toonden aan dat een kwantum- of microscopisch object wordt uitgebreid in de ruimte of zelfs, in sommige gevallen, in onsamenhangende gebieden van de ruimte, met amplitude en fase. Het kwadraat van de modulus van de golffunctie vertegenwoordigt de ruimtelijke verdeling van het kwantumobject. Wanneer gemeten, het ruimtevullende kwantumobject zal, volgens het meetpostulaat in de kwantummechanica, ineens instorten. In dit geval, het object gedraagt ​​zich als een deeltje. Door het bestaan ​​van een fase, de interferentie tussen twee coherente golffuncties kan optreden wanneer ze een ontmoeting hebben. Bijgevolg, de resulterende golffunctie zal op verschillende locaties anders veranderen:sommige worden versterkt door constructieve interferentie, terwijl sommige andere worden geannuleerd vanwege destructieve interferentie. Dit verandert de ruimtelijke verdeling van het kwantumobject. In dit geval, het object gedraagt ​​zich als een golf.

Een goede demonstratie van het vertraagde-keuze-experiment wordt gegeven door een interferometer met twee paden, de Mach-Zehnder-interferometer (MZI). Onze bespreking is beperkt tot het geval waarin een enkel foton naar de MZI wordt geleid, gevolgd door twee detectoren. Volgens het traditionele perspectief, de aard van het enkele foton in de MZI hangt af van het al dan niet aanwezig zijn van de tweede BS. Als de tweede BS ontbreekt, het enkele foton reist dan langs slechts één arm, die de aard van de deeltjes laat zien.

Integendeel, toen de onderzoekers de tweede BS inbrachten, het enkele foton reisde langs beide armen, het golfkarakter vertonen. Echter, in de REIN, de eerste BS splitst het enkele foton in twee subgolven die langs de twee armen reizen, of de tweede BS is ingevoegd of niet. Dat is, het foton in een MZI is een uitgestrekt en gescheiden object dat tegelijkertijd aan beide armen bestaat. Bij deze interpretatie als de tweede BS ontbreekt, de twee deelgolven zijn gericht, respectievelijk, naar de twee detectoren, en met een waarschijnlijkheid die onafhankelijk is van hun relatieve fase, de meting vouwt ze samen tot een klik in één detector. Dit is de deeltjesaard van het enkele foton.

Verder, de aanwezigheid van de tweede BS kan ervoor zorgen dat de twee subgolven interfereren en, in plaats daarvan, twee resulterende subgolven worden naar de twee detectoren geleid. Het enkele foton bestaat in de vorm van de twee resulterende subgolven. Als gevolg hiervan, de meting brengt de resulterende subgolven samen tot een klik in één detector, met een faseafhankelijke kans. Dit is het golfkarakter van het enkele foton. In tegenstelling tot de traditionele interpretatie, het REIN laat zien dat er geen verschil is tussen een enkel foton in een gesloten MZI en een foton in een open MZI voordat ze bij het tweede BS aankomen.

Om dit idee te ondersteunen, de onderzoekers voeren ook een experiment met ontmoetingsvertragingen (EDC) uit. In het experiment, de tweede BS wordt al dan niet ingevoegd wanneer de twee subgolven die gelijktijdig langs de twee armen van de MZI reizen, elkaar ontmoeten, zoals getoond in Fig. 1(a). Het is anders dan eerdere (of kwantum) vertraagde-keuze-experimenten waarbij de beslissing wordt genomen voordat de ontmoeting plaatsvindt. In de EDC-zaak de onderdelen, onderworpen aan de tweede BS, van de twee-subgolven, zullen interfereren en hun vormen veranderen volgens de relatieve fase. Maar de overige delen niet onderworpen aan de tweede BS, zal niet tussenkomen, hun vormen ongewijzigd laten. Het enkele foton kan daarom in twee delen worden verdeeld, één die de golfaard toont en één die de deeltjesaard toont. dienovereenkomstig, zoals afgebeeld in Fig. 1 (b), de deelgolven die uit de MZI zijn vertrokken, kunnen in twee delen worden verdeeld, één van de golfaard en de andere van de deeltjesaard. Merk op dat figuur 1(b) een speciaal geval toont waarbij de twee subgolven binnen de MZI in fase zijn. De experimentele gegevens in het artikel komen goed overeen met de voorspelling van de REIN, wat impliceert dat het REIN-idee sterk wordt ondersteund.

"Deze moeilijkheid is relevant voor ons hardnekkige idee van een star deeltje van een microscopisch object voor een kwantumobject, zoals de naam, 'kwantumdeeltje', suggereert, ', schrijven de onderzoekers. 'Als we aannemen dat het kwantumobject bestaat in de vorm van de golffunctie, het is gemakkelijker om deze vormverandering te begrijpen."