中微子可以振荡的最重要推论是_中微子振荡模式_发现中微子第三种振荡(2)

1935年，费米将注意力转向微小的中微子，并致力在量子理论的框架内理解核反应，而爱因斯坦与同事欧文·薛定谔却做出了量子理论本身值得怀疑的论断。在那年夏天的信件往来中，他们怂恿对方想办法向其他同事证明，即便在一个奇怪的世界里（一个充斥着逻辑与理性的血腥世界），量子理论仍显得非常奇怪。那时候爱因斯坦和薛定谔都逃离了纳粹德国：爱因斯坦在新泽西普林斯顿的绿荫中安了家，而薛定谔移居到牛津，后在都柏林定居。

他们二人的精神交流产生了最著名的物理学思想实验之一——“薛定谔的猫”。假设一个没有窗户的盒子里面有一只猫，一位物理学家事先在猫的身旁放置了一些放射性物质，根据量子理论的概率规律，该物质在既定时间内（比如一个小时）的衰减概率为50%。如果该物质确实衰减了，盒内的探测器将记录该过程并释放锤子，打碎一小瓶氰化物，毒死猫；如果放射源在规定的时间内没有衰减，毒药瓶将保持完好，猫也会继续生存。

量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。我不禁想起了薛定谔的猫，并很疑惑它究竟是死是活——它有可能是死的，也有可能是活的，但根据量子物理的结论：它实际上是半死不活的，或者说既死又活的叠加态，这只猫很可怜，就像题主的这个问题带给大家的困扰一样。

薛定谔和爱因斯坦认为这样的结论毫无意义。他们坚持认为，任何合理的物理学理论都应该能够在任何特定时刻准确赋予猫活力值。两位物理学家担心，一味强调叠加是向认识论投降的一种形式，违背了物理学家以精确和预测的方式描述自然的长期目标。但玻尔仍不为所动。他坚持认为量子理论指出的是世界存在的方式，与人类经验产生的预期完全不同。如果量子理论的方程式具有叠加状态的特征——物质的行为是“亦此亦彼”，而不是“非此即彼”，那么物理学家就需要让自己的思维适应这种怪异特征。叠加被认为是量子行为的标志。

检测中微子特定风味的概率像波一样通过空间和时间传播。

不同味道的中微子在传播时可以发生转化，意味着相应的质量本征态的叠加方式发生了变化，也就是说在传播过程中三种质量本征态的相位变化步调有差异，从而意味着它们质量的平方差不为零，因此说中微子振荡意味着它们具有质量。哗，这一看不得了，除了小妹像只猫，死了又活，死了又活，死了又活，诈尸一般的不屈不挠死而复活，金捕头也骑在马上，一时英姿飒爽，一时踽踽独行，一时失魂落魄地去而复返，去而复返，去而复返，百转千回马蹄南去人北望了三番四次，情深若此，我要是小妹，或是我也写小妹，怎么也得让小妹再死而复活一次。当它们到达地球上的探测器时，相互作用的测量会破坏量子线性叠加态，使它按照比例，以一定概率坍缩成电子中微子，μ子中微子或τ子中微子。

蓬泰科尔沃的中微子振荡理论基于量子叠加的概念，与最新实验数据完美匹配。但是，我们想知道，相同的数据可以与替代理论兼容吗。也许爱因斯坦和薛定谔希望看到的理论是粒子不存在叠加且在每一时刻都具有确定的属性，这样就可以很好地解释数据。福尔马焦的主要观点是，如果中微子真正受到量子叠加的控制——如果它们通过空间缩放为“亦此亦彼”而不是“非此即彼”，那么在特定位置检测特定风味的可能性的数量应该不同于每个中微子在任何给定时刻拥有一个确定的身份的数量，并且随着时间的推移在不同的身份之间振荡。

虽然我们的分析有点巴洛克风格，但实质上它只是简单的观察。根据量子力学，检测中微子特殊风味的概率像波一样通过空间和时间传播，与一个中微子风味相关的波与另一种风味的波频率稍微不同。对于一个叠加状态的中微子，那些不完全相同的波可能会相互干扰，就像重叠的波在池塘表面相互干扰一样。在中微子旅程的某些位置，每个概率波的波峰会对齐，而在其他位置，一个波峰将与一个波谷彼此抵消。

由此导致了可以直接检测到的效果。当波峰相遇时，发现特定风味的概率上升；在波峰波谷彼此抵消时，这种概率下降。此外，干扰图案——那些波峰与波峰叠加的地方——应该随中微子的能量而改变。另一方面，在缺乏叠加的对立理论中，如那些由爱因斯坦和薛定谔坚持的理论中则不会出现这样的干扰图案。我们计算出在给定风味中应该检测到的中微子数量的不同模式，因为它们的能量变化取决于中微子是否在叠加态中运行。然后，我们将这些计算结果与主注入器中微子振荡搜寻（MINOS）的数据进行了比较。自2005年起，该实验就从费米实验室向苏丹矿持续发射中微子束。

量子力学的计算结果与主注入器中微子振荡搜寻的数据精确匹配，而与爱因斯坦式的理论数据相去甚远。即使考虑到不确定性和统计的偶然性可能会扭曲实验结果，我们仍发现中微子由爱因斯坦式的物质理论操控且没有叠加的可能性不到十亿分之一。

像叠加这样的量子效应通常只在几十到几百纳米的短距离上表现出来，但我们的测试在735千米范围内证明了确定无误的量子奇异性。这可能仅仅是个开始。世界上充斥着从太阳发出的穿越1.5亿千米的中微子，南极的冰立方中微子天文台进行的尖端实验现在可以监测到原始的中微子，它们从大爆炸开始已经穿越了数十亿光年的空间。也许像这样的中微子也可以被用来揭示量子叠加的迹象，然后我们可以在浩瀚的宇宙距离中检验量子理论的核心特征。

与此同时，我和我的同事也惊奇地发现，对于量子力学中所有明显的奇异之处，它的预测在人类层面上也是成立的。中微子经历的从费米实验室到苏丹矿的漫长旅途，与蓬泰科尔沃传奇般地从罗马到巴黎再到赫尔辛基直至莫斯科的旅程如出一辙。跨越了如此漫长的距离，我们可以自信地说，我们确实生活在一个奇异的叠加世界。