粒子对撞

我们可以测量量子的飞行时间吗？

测量粒子在两点之间传播所需的时间可能是对玻姆力学最好的检验。

一个看似简单的实验：如果能够精确测量粒子从A点到B点所需的时间，可能会促进量子物理学的突破。新的科研实验发现将物理学家的注意力集中到波姆力学量子理论上（该理论目前不属于传统量子理论）。

玻姆力学是理论物理学家大卫玻姆在1950年代提出，作为与一般教科书中截然不同的量子力学理论，玻姆力学其实已经发展多年，从事相关研究的物理学家在实验检验和理论预言方面都做出很多贡献，充分展现了这一理论的“威力和价值”，玻姆力学现今已经越来越得到学界的重视和关注。

当前，国内学习到的传统量子理论，几乎全部源于上世纪20年代诞生的波动力学和矩阵力学，其解释基于哥本哈根学派的诠释。国内对于玻姆力学的研究和科普较少，有兴趣的读者可以自行了解或者等待作者关于玻姆力学的介绍。

疑惑的产生

最近德国的科研团队进行了一项新的研究：测量粒子在两点之间传播所需的时间。在团队采用玻姆力学理论之前，传统量子理论在这方面的努力都宣告失败了。但是，传统量子理论作为现在学界和大众广泛的量子力学理论为什么无法完成看似如此简单的测量，至少应该感到疑惑。因此，物理学家不得不求助于假设和近似来计算粒子传输时间。

量子世界很奇怪，这已经不是什么秘密了。设置一个电子枪在屏幕上发射亚原子粒子，如经典的“双缝实验”，你无法准确预测任何给定的电子会落在何处形成荧光点。但是可以精确地预测点的空间分布或图案，这些点随着时间的推移随着电子一个接一个地着陆而成形，有些地方有较多的电子，有些地方较少。

但这种怪异隐藏着更神奇的现象，在其他条件相同的情况下，每个电子到达探测器的时间会有微小的差别。就像电子的落点分布一样，到达时间也有分布：普遍的到达时间是一致的，但是也有少量的到达时间不同。

双缝干涉实验

传统量子理论只关心“在哪里”，忽略了“何时候”，传统量子理论还不能精确预测这种时间分布的机制。

尴尬的结果

产生这个奇怪的问题在传统量子理论有一个很深刻的原因。在传统量子理论中，可以测量的物理特性称为可观察量（observable ）。例如，粒子的位置是可观察的，而且每个可观察量都与相应数学实体与之相关联，但是传统量子理论中没有对量子观察时间的数学实体。

传统量子理论不能容纳时间算符，至少不能以传统的方式思考。但是，是否因为传统量子理论不能容纳时间，我们在研究量子力学时就必须从根本上放弃时间运算？？？

显然不能，测量粒子运动时间或飞行时间是实验物理学的重要组成部分。例如，欧洲核子研究中心大型强子对撞探测器—“质谱仪”就是用来测量计算粒子、离子和分子的质量和动量的。

从量子视角分析，每个粒子都由波函数进行表示，相同制备的粒子从其源头释放时将具有相同的波函数。但是，在测量每个粒子在释放瞬间的动量时，每次都会产生不同的值。

实际上，传统量子理论也有计算到量子运动时间的方法—量子磁通量。当粒子飞向探测器时，其波函数根据薛定谔方程演变，该方程描述了粒子随时间变化的状态。薛定谔方程确定了粒子的波函数—从而确定了在该位置检测到该粒子的概率—假设粒子只穿过该位置一次（传统量子理论中还没有明确的方法来证实这个假设）。从传统量子理论的角度来看使用这些假设“非常好”，物理学家可以计算粒子在给定时间到达探测器的概率。

假设很“美好”，却有一个很严重的问题。用概率去描述粒子到达时间会产生量子磁通量为负的计算结果，虽然很难找到磁通量明显为负的波函数，但没有理论规定“禁止磁通量为负”。对于物理学家来说“这是一场灾难”， 负量子磁通量会导致负概率，结果很尴尬—即人类的认知：概率永远不会小于零。

初现曙光

玻姆的理论认为，每个粒子都受其波函数的引导。与传统量子理论不同，在传统量子理论中，粒子在测量之前没有精确的位置或动量—因此也没有轨迹—而波姆力学中的粒子是真实的，并且具有由精确运动方程描述其轨迹。

为了验证波姆力学，科学家设计了一种实验装置，可以在远离的地方检测粒子（探测器放得足够远并进行波姆分析），产生区别于传统量子理论的计算结果，以此区分玻姆力学的预测结果和传统量子理论预测的结果。

科学家进行了艰巨的实验任务，经过几年的工作努力，实验结果表明：每个量子的波函数都可以用称为自旋矢量的数学表征来表达—一个与波函数相关的箭头，它可以指向任何方向。团队研究了两种情况：一种是箭头指向波导轴，另一种是箭头垂直于波导轴。

当波函数的自旋矢量沿波导轴对齐时，传统量子理论预测的到达时间分布与波姆力学预测的相同。但是，当自旋向量垂直时，传统量子理论的量子磁通量为负，这意味着使用薛定谔进化来计算到达时间变得不可能（薛定谔演化来计算到达时间的分布只有当量子磁通量为正时才有效）。采用通用量子力学计算的物理学家“在量子磁通量变为负数时举手投降了”。

进一步的实验还在继续，但是如果证明玻姆力学有效，接下来能够证明的实验发现可能会震撼传统量子理论的基础！！！

最后，关于量子力学作者本人不赞成将任何宗教、神学、玄学与之相联系。量子力学是极其严谨的理论与实验物理科学，量子力学的基础是数学与实验（包含思想实验），即便是尚有很多未知需要研究，但是也不需要任何宗教、神学、玄学对其进行解释。