Observing relativistic trajectories of single photons

在经典物理学的世界里，运动物体的路径是一个直截了当的故事。如果你知道一个球在任何特定时刻的位置和速度，你就能精确计算出它一秒钟后或一年后的位置。在这种观点下，宇宙是一台发条机械，每一个粒子都遵循着一条确定的、可预测的轨迹。量子力学——这套针对微观世界的规则手册——打破了这种确定性。在物理学家近一个世纪以来对量子理论的标准理解中，像光子这样的粒子并不拥有一条单一、真实的路径。相反，它们以一种弥散的可能性波的形式存在，而在测量发生的瞬间之前，询问“粒子现在在哪里？”被认为是一个没有意义的问题。这引发了一场长期的争论：粒子究竟是在没有地图的情况下漫无目的地游荡，还是仅仅在遵循一条我们目前的工具无法观测到的隐藏路径。

一种被称为波姆力学（Bohmian mechanics）的特定量子理论解释认为，即使很难找到，粒子也确实拥有确定的轨迹。然而，几十年来，这一理念在与爱因斯坦的相对论（该理论统治着高速运动规律）相融合方面一直面临困难。最近，一个新的理论框架应运而生，成功地将这两个世界融合在一起，提出了一种即使在光速运动时也能计算单个光子速度和路径的方法。这项新理论预测了一个奇怪的现象：取决于光子的波状性质如何与其自身发生干涉，光子的路径在某些地方看起来会比光速慢，而在另一些地方则会比光速快。直到现在，这还仅仅是一个数学上的奇趣，尚未在现实世界中得到验证。

来自昆士兰大学的一支研究团队，与悉尼大学和麦考瑞大学的同事合作，现已将这一理论带入了实验室。他们致力于重建单个光子通过一个被称为迈克尔逊-萨格纳克干涉仪（Michelson-Sagnac interferometer）的专门装置时的实际路径。在这种设置中，单个光子被分成两部分，向相反方向旅行，然后再次汇合。研究人员并没有尝试直接追踪光子，因为这样做是不可能的，否则会破坏它。相反，他们使用了一种涉及“弱测量”（weak measurements）的巧妙技术。想象一下，试图通过轻轻拂过一个幽灵而不干扰其飞行来确定幽灵的速度；这本质上就是该团队所做的工作。他们对光子的动量进行了一系列温和的、非侵入性的检查，随后对光子的最终落点进行了最后一次强力的检查。通过使用许多相同的光子重复进行这一过程数千次，他们能够拼凑出光子似乎遵循的平均路径。

实验结果证实了新相对论理论的预测。当光子穿过由其两条相反路径产生的干涉图样时，重建的轨迹显示出一种奇异的行为。在波形相互增强的区域，光子表现得似乎比光速慢；在波形相互抵消的区域，光子表现得似乎比光速快。这并不意味着光子打破了宇宙的速度极限，也不意味着它们发送了回溯时间的信息；相反，它揭示了波姆路径本身的一种反直觉属性。研究人员发现，一个在标准物理学看来只走一条路径的单光子，在穿越干涉条纹时，实际上会在这些亚光速和超光速之间交替变化。

该实验是使用从激光器中产生的单光子进行的，经过精心控制以确保它们表现为单个粒子。团队使用一系列反射镜和分束器来引导光线，并使用一种特定类型的半波片，通过偏振在极轻微的程度上对光子的动量进行编码，从而收集必要的数据，同时又不至于使其波性质坍缩。他们收集的数据表明，虽然光子的行为与我们的日常经验截然不同，但如果通过波姆力学的视角来看，它完全符合经典的相对论框架。这项研究提供了首次对这些相对论轨迹进行实验观察的机会，证明了这种特定的量子力学解释所预言的那些反直觉的特性，不仅仅是理论上的产物，更是物理世界的真实特征。通过绘制这些路径，研究人员为理解粒子如何在速度和空间的极限下运动开启了一扇新的窗口，为探索这样一个版本的现实提供了一种具体方式——在这个现实中，粒子始终有一个确定的位置，即便那个位置比我们想象的要难以定义。