两条路径上的一个粒子：量子物理学是正确的

位于格勒诺布尔劳伦特蒂翁的ILL实验室，ILL。学分： 维也纳工业大学

双缝实验是量子物理学中最有名的，也可能是最重要的实验：单个粒子被射向一堵有两个开口的墙，探测器在墙的后面测量粒子到达的地方。这表明粒子不是沿着非常特定的路径移动，正如经典物体所知道的那样，而是同时沿着几条路径移动：每个单独的粒子都穿过左边和右边的开口。

然而，通常情况下，这只能通过反复进行实验并在最后评估许多颗粒检测的结果来证明。在TU Wien，研究人员开发了这种双向干涉实验的新变体，可以纠正这一缺陷：在特定位置测量单个中子 - 并且由于复杂的测量设置，这种单一测量已经证明粒子同时沿着两条不同的路径移动。甚至可以确定中子在两条路径之间分布的比例。因此，量子叠加现象可以在不诉诸统计论证的情况下得到证明。研究结果现已发表在《物理评论研究》杂志上。

双缝实验

“在经典的双缝实验中，在双缝后面会产生干涉图案，”TU Wien原子研究所的Stephan Sponar解释说。“粒子以波的形式同时通过两个开口移动，然后两个部分波相互干扰。在一些地方，它们相互加强，在另一些地方，它们相互抵消。

在非常特定的位置测量双缝后面的粒子的概率取决于这种干涉图案：在量子波被放大的地方，测量粒子的概率很高。在量子波被抵消的地方，概率很低。当然，这种波分布不能通过观察单个粒子来看到。只有当实验重复多次时，波型才会变得越来越容易被逐点识别，并且逐个粒子。

“因此，单个粒子的行为是根据只有通过对许多粒子的统计调查才能显现出来的结果来解释的，”广岛大学的Holger Hofmann说，他开发了实验背后的理论。“当然，这并不完全令人满意。因此，我们考虑了如何基于单个粒子的检测来证明双向干扰现象。

旋转中子

这是在格勒诺布尔ILL中子源的中子的帮助下实现的：中子被发送到晶体上，该晶体将中子的量子波分成两个部分波，与经典的双缝实验非常相似。两个部分中子波沿着两条不同的路径移动并再次重新组合。它们干扰，然后进行测量。

然而，此外，中子的另一个特性被利用：它的自旋 - 粒子的角动量。它可以受到磁场的影响，中子的角动量然后指向不同的方向。如果中子的自旋只在两条路径中的一条上旋转，则可以在之后确定它走了哪条路径。然而，干涉图案也消失了，这是量子力学互补性的结果。

“因此，我们稍微旋转了一下中子的自旋，”当前出版物的第一作者Hartmut Lemmel解释说。“然后干涉图案仍然存在，因为你只能获得很少的关于路径的信息。为了仍然获得精确的路径信息，这种“弱”测量在常规实验中重复多次。然而，人们只能获得关于整个中子集合的统计陈述，并且对每个中子都说不了多少。

反转旋转

如果在两个中子部分波合并后，使用另一个磁场再次将自旋转回，情况就不同了。通过反复试验，可以确定将叠加状态的自旋变回原始方向所需的旋转角度。这种旋转的强度是衡量中子在每条路径中存在的强度的量度。如果它只走了旋转自旋的路径，那么旋转的全角度就需要将其旋转回去。如果它只走了另一条路，就根本不需要反向旋转。在使用特殊的不对称分束器进行的实验中，表明中子在一条路径中存在三分之一，在另一条路径中存在三分之二。

通过详细的计算，该团队能够证明：在这里，人们不仅检测到所有测量的中子总数的平均值，而且该陈述适用于每个中子。确定最佳旋转角度需要许多中子，但是一旦设定了这一点，从中子确定的路径存在就适用于检测到的每个中子。

“我们的测量结果支持经典量子理论，”Stephan Sponar说。“新颖之处在于，人们不必诉诸不令人满意的统计论据：在测量单个粒子时，我们的实验表明它必须同时走两条路径，并明确地量化各自的比例。这排除了量子力学的替代解释，这些解释试图解释局部粒子的双缝实验。