La meccanica quantistica è un pilastro della scienza e della tecnologia moderne, e ha beneficiato la società umana per un secolo. La funzione d'onda, noto anche come stato quantistico, è la descrizione di un oggetto quantistico e svolge un ruolo centrale nella meccanica quantistica. Ciò nonostante, la natura della funzione d'onda è ancora dibattuta. Finora, ci sono state diverse interpretazioni della funzione d'onda, compresa l'interpretazione di Copenaghen, l'interpretazione dell'onda pilota di De Broglie, e l'interpretazione dei molti mondi.

Tra loro, domina l'interpretazione di Copenaghen. Tratta la funzione d'onda semplicemente come un'ampiezza di probabilità complessa utilizzata per calcolare la probabilità di trovare l'oggetto quantistico in un dato luogo. In questo caso, la funzione d'onda è un puro strumento matematico, e quindi dovrebbe fornire solo la conoscenza dei fenomeni. Però, l'interpretazione di Copenhagen non può descrivere la reale esistenza dell'oggetto quantistico. Quindi, esplorare la natura della funzione d'onda è di fondamentale importanza per sbloccare il misterioso mondo quantistico.

In un recente studio, un'interpretazione realistica (REIN) per la funzione d'onda è stata proposta da Gui-Lu Long, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica, Università di Tsinghua, nella città cinese di Pechino. Il REIN afferma che la funzione d'onda di un oggetto quantistico è uno stato reale piuttosto che una mera descrizione matematica, in altre parole, l'oggetto quantistico nello spazio esiste sotto forma di funzione d'onda. Per dimostrare questo, Gui-Lu Long e i suoi collaboratori, Wei Qin, Zhe Yang e Jun-Lin Li, anche dal Dipartimento di Fisica, Università di Tsinghua, progettato un esperimento di incontro-scelta ritardata e realizzato sperimentalmente lo schema. Questo studio, intitolato "Interpretazione realistica della meccanica quantistica e esperimento di scelta ritardata dell'incontro, " è stato pubblicato in Scienza Cina Fisica, Meccanica e Astronomia .

I ricercatori hanno dimostrato che un oggetto quantistico o microscopico si estende nello spazio o addirittura, in alcuni casi, in regioni sconnesse dello spazio, con ampiezza e fase. Il quadrato del modulo della funzione d'onda rappresenta la distribuzione spaziale dell'oggetto quantistico. Quando misurato, l'oggetto quantico che riempie lo spazio, secondo il postulato della misurazione in meccanica quantistica, crollare istantaneamente. In questo caso, l'oggetto si comporta come una particella. A causa dell'esistenza di una fase, l'interferenza tra due funzioni d'onda coerenti può verificarsi quando hanno un incontro. Di conseguenza, la funzione d'onda risultante cambierà in modo diverso in luoghi diversi:alcuni sono rafforzati a causa dell'interferenza costruttiva, mentre alcuni altri sono annullati a causa di interferenze distruttive. Questo cambia la distribuzione spaziale dell'oggetto quantistico. In questo caso, l'oggetto si comporta come un'onda.

Una buona dimostrazione dell'esperimento della scelta ritardata è data da un interferometro a due vie, l'interferometro di Mach-Zehnder (MZI). La nostra discussione è limitata al caso in cui un singolo fotone è diretto all'MZI seguito da due rivelatori. Secondo la prospettiva tradizionale, la natura del singolo fotone all'interno dell'MZI dipende dalla presenza o meno del secondo BS. Se la seconda BS è assente, il singolo fotone quindi viaggia lungo un solo braccio, che mostra la natura delle particelle.

Anzi, quando i ricercatori hanno inserito la seconda BS, il singolo fotone ha viaggiato lungo entrambi i bracci, esibendo la natura ondulatoria. Però, nel REIN, la prima BS divide il singolo fotone in due sub-onde che viaggiano lungo i due bracci, se la seconda BS è inserita o meno. Questo è, il fotone in un MZI è un oggetto esteso e separato che esiste contemporaneamente su entrambi i bracci. In questa interpretazione, se la seconda BS è assente, le due sub-onde sono dirette, rispettivamente, ai due rilevatori, e con una probabilità indipendente dalla loro fase relativa, la misurazione li comprime in un clic in un rilevatore. Questa è la natura particellare del singolo fotone.

Per di più, la presenza della seconda BS può causare l'interferenza delle due sotto-onde e, Invece, due sub-onde risultanti sono dirette ai due rivelatori. Il singolo fotone esiste sotto forma delle due sub-onde risultanti. Come conseguenza, la misurazione comprime le onde secondarie risultanti in un clic in un rivelatore, con una probabilità dipendente dalla fase. Questa è la natura ondulatoria del singolo fotone. Contrariamente all'interpretazione tradizionale, il REIN dimostra che non c'è differenza tra un singolo fotone in un MZI chiuso e un fotone in uno aperto prima che arrivino al secondo BS.

Per sostenere questa idea, i ricercatori implementano anche un esperimento di scelta ritardata dall'incontro (EDC). Nell'esperimento, la seconda BS si inserisce o meno quando le due sub-onde che viaggiano contemporaneamente lungo i due bracci della MZI si incontrano, come mostrato in Fig. 1 (a). È diverso dai precedenti esperimenti (o quantistici) a scelta ritardata in cui la decisione viene presa prima che si verifichi l'incontro. Nel caso EDC, le parti, soggetto al secondo BS, delle due onde sub, interferiranno e le loro forme cambieranno a seconda della fase relativa. Ma le parti rimanenti, non soggetto alla seconda BS, non interferirà, lasciando inalterate le loro forme. Il singolo fotone può quindi essere diviso in due parti, uno che mostra la natura ondulatoria e uno che mostra la natura delle particelle. Di conseguenza, come illustrato in Fig. 1 (b), le sub-onde che sono partite dall'MZI possono essere divise in due parti, uno dalla natura ondulatoria e l'altro dalla natura particellare. Si noti che la Fig. 1 (b) mostra un caso speciale in cui le due onde secondarie all'interno dell'MZI sono in fase. I dati sperimentali nell'articolo sono in buon accordo con la previsione del REIN, implicando che l'idea REIN è fortemente supportata.

"Questa difficoltà è pertinente alla nostra nozione ostinata di una particella rigida di oggetto microscopico per un oggetto quantistico, come il nome, 'particella quantistica', suggerisce, " scrivono i ricercatori. "Se adottiamo l'idea che l'oggetto quantistico esista sotto forma di funzione d'onda, è più facile capire questo cambio di forma."