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归档日期:11-07       文本归类:佩因      文章编辑:爱尚语录

  来历:全球科学公家号

  谈到量子力学时,人们总习惯把它称作“描述微观世界“的理论,但现实上,所谓的微观量子世界和宏观典范世界并不具有一条明白的鸿沟。物理学家正通过各类手段,制造处于量子形态的宏观物体,摸索由量子到典范的转换过程。

  翻译 赵昌昊

  审校 韩晶晶

  此刻,让我们从头思索量子理论。这套理论本身没什么问题,它能很好地描述原子和亚原子粒子的行为。但问题在于,我们要如何“谈论”量子理论?

  我们老是强调量子理论有良多奇异的性质,例如物质既是粒子又是波、物体能够同时处在两个分歧的位置(或两种分歧的形态)、鬼魂般的超距感化等等。对于如许一个科学家屡次利用的常规理论,我们何苦用各类佶屈聱牙的言语锐意制造奥秘感呢?

  背后的部门缘由在于,我们日常平凡所接触到的物体都各自分立,有明白的位置和清晰的鸿沟,这与量子物体性质悬殊。但为什么是如许呢?为什么我们日常平凡接触到的世界只能是“如许或那样”,而不克不及是“既如许也那样”?为什么跟着标准增大,量子物理会演变成典范物理,一切都由牛顿活动定律安排呢?

  这个量子-典范改变问题曾经搅扰科学家数十年。我们仍然未能完全理解它,不外,在过去的大约20年中,飞速成长的尝试手艺成功地将量子物理所合用的标准不竭扩大。科学家遍及认为,因为手艺上的坚苦,我们无法使篮球、人体如许的宏观物体同时处于分歧的位置。可是,跟着我们对量子-典范改变的理解日渐深切,我们也认识到这在道理上是可行的。宇宙并没有在“一般”的典范世界和躲藏在其下的“诡异”量子世界之间划下一条明白的界线。换句话说,量子物理大概本来就不诡异。

  打个例如,假设你正在用烘干机烘干袜子。这台烘干机不知出了什么弊端,老是吐出不配对的袜子,每次吐出的都是颜色互补的两只。若是一只是红的,那么另一只就是绿的;若是一只是白的,另一只就是黑的。在我们察看它吐出的袜子之前,我们只晓得它吐出的袜子颜色必然互补,但并不晓得它吐出的是哪种互补颜色对。也就是说,非论吐出的颜色若何,两只袜子的颜色老是相关的。

  此刻我们能够来设想一台量子烘干机。玻尔、海森堡等人在20世纪20年代中期提出了量子力学的“哥本哈根注释”,按照这一学说,量子烘干机吐出的一对量子袜子处于相关形态,一只的颜色与另一只的颜色相联系关系,但在我们尚未察看它们的时候,它们并没有客观确定的颜色。我们对此中一只量子袜子的察看,现实上决定了另一只量子袜子的颜色。若是我们用某种体例看到第一只量子袜子是红色的,那么另一只就是绿色的。我们也有可能换一种察看体例,看到第一只量子袜子是白色的,那么另一只就是黑色。

  粗略地讲,这里的颜色并非某一只量子袜子的固有属性,而是由两只袜子配合照顾的某种联系关系特征,长短定域的。我们说,这两只袜子的颜色是彼此纠缠的。

  薛定谔曾说,“纠缠”是理解量子现象的环节。并操纵它建立了出名的“薛定谔的猫”悖论。设想一只猫被关在箱子里,箱中有一瓶致死的毒药,而毒药能否释放,取决于一个量子事务能否发生。由于是量子事务,所以能够处于“发生”与“不发生”的叠加态,那么毒药也就处于“释放”与“不释放”的叠加态。

  对于量子标准的物体,好比一个原子,叠加态很一般。然而,薛定谔把量子事务与猫如许一个宏观物体纠缠起来,从而获得猫“既死又活”如许违背直觉的成果。

  对于这个悖论,保守的注释是,观测叠加态将导致系统在两个形态中做出“选择”。薛定谔的猫起先处于生与死的叠加态,而一旦我们对其进行观测,则它会塌缩到此中一种形态。当我们看到猫的时候,它要么死,要么活,而不会处于叠加态。

  可是,在我们观测猫的存亡之前,它处于如何的形态呢?按照哥本哈根注释,这个问题本身就是没成心义的。只要我们可以或许观测的事物才可以或许成为现实,因此试图猜测观测之前的现实,这本身就是荒谬的。

  然而,并非所有人都附和这种注释,此中最大牌的否决者就是爱因斯坦。这一派物理学家苦守典范的其实主义世界观——世间万物都有其奇特的客观属性,与我们的观测无关。爱因斯坦与鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)、内森·罗森(Nathan Rosen)一路提出了一个雷同于量子烘干机的思惟尝试,试图论证量子理论将会导致“超距感化”的悖论,即当我们对相距很远的两个物体中的一个进行丈量的时候,另一个也会霎时遭到影响,仿佛两者之间彼此感化的传送速度无限大。然而20世纪80年代,科学家操纵激光进行尝试,证明量子纠缠的结果简直如斯,这并非是由于光子之间有“超光速”的彼此感化,而是由于其量子特征本就由多个光子配合享有。这恰是量子非定域性的表现。

  此后,物理学家不竭测验考试在尝试上制造出更大的量子物体。这些物体比单个原子大得多,不外和一只活生生的猫比拟还很小,常被称为“薛定谔的小猫”,而它们正在敏捷地长大。

  要让薛定谔的小猫长成大猫,环节在于维持其量子相关性。简单地说,就是要让量子态波函数的波峰、波谷的变化连结同步。在量子态随时间演化的过程中,胜博发娱乐它会与四周的情况发生纠缠,量子态的相关性会在这个过程中泄露到情况中,就像热量耗散一样,丧失掉了。

  若是从量子消息的角度理解相关性逐步丧失的过程,那就是消息由“非定域”退化到“定域”的过程。量子相关的系统中具有非定域联系关系,消息是由整个量子系统中的所有粒子配合照顾;若是你想要领会量子相关系统中部门粒子的性质,仅仅对这一部门粒子做丈量还不敷,如许总有一些消息被脱漏掉。这种消息的非定域性曾经无法用先前“量子袜子”的类比来理解了,由于一旦我们观测了一只袜子的颜色,那么我们曾经获得了全数的消息,不具有脱漏。美国洛斯阿拉莫斯国度尝试室的沃杰西奇·祖克(Wojciech Zurek)建立了一套理论,用量子失谐(quantum discord)来暗示丈量之后消息脱漏的程度。对于典范系统,丈量之后没有脱漏消息,因而典范系统的量子失谐量为零。若是量子失谐量大于零,那么系统中就包含有必然程度的量子性。

  退相关过程也就是量子失谐量不竭丧失的过程,系统的量子特征逐步转化为典范特征:所有的事务都有明白定义的时辰与空间位置,没有叠加态,没有纠缠,也没有非定域性。

  那么,是不是系统的规模越大,就越容易退相关呢?电子等微观粒子能够表示为相关的量子波,这一点早在20世纪20年代的电子干与尝试中就曾经获得证明。不久之后,尝试中又用完整的原子展现出了波动性。然而直到90年代,科学家才可以或许让较大的分子表示为物质波,呈现出量子相关性。

  1999年,维也纳大学的安东·蔡林格(Anton Zeilinger)与马库斯·阿恩特(Markus Arndt)让富勒烯(C60,由60个碳原子形成的分子)挨次通过裂缝间距100纳米的氮化硅陶瓷光栅,并在远处检测到了富勒烯的干与条纹。而截至目前,阿恩特与合作者曾经用人工制造的包含430个原子、直径达到6纳米的无机分子展现出了量子波动性。它与较小的卵白质分子大小相当,曾经能够间接在电子显微镜下察看。不外这种人造无机分子的量子性很是懦弱。一旦从真空进入气体情况中,它就会与大量分子发生彼此感化,发生退相关。

  尝试中,无机分子同时通过了光栅中的多条狭缝,也就是处于分歧空间位置形态的叠加态。虽然它还很小,也并非活物,新葡京在线娱乐但能够视为一种分子级此外“薛定谔小猫”。那么我们能否有可能继续扩大规模,让生命体处于叠加态呢?好比,“薛定谔的病毒”?

  伊格纳西奥·西雷克(Ignacio Cirac)与奥里奥尔·罗梅罗-伊萨特(Oriol Romero-Isart)是德国加兴的普朗克量子光学研究所(the Max Planck Institute for Quantum Optics)的物理学家,他们提出了制造量子生命体的具体设想,如直径约100纳米的病毒;以至还有更大,实现起来也更为坚苦的徐行类动物(tardigrades),如水熊虫,体长可达1毫米。他们打算使生命体悬浮在用高强度激光光阱中,操纵光场的振荡,诱导生命体处于分歧振动模式(就仿佛是在碗底滚上滚下的小球)的叠加态。徐行类动物能够在宇宙空间中存活,因而大概也可以或许承受制备量子叠加态所需的极端情况。不外,目前这些还都只是设想。

  目前,人类曾经可以或许让裸眼可见的物体处于纠缠态。2011年,牛津大学的物理学家伊恩·沃尔斯利(Ian Walmsley)率领研究团队,用激光脉冲在两块相距15厘米、直径为3毫米的金刚石晶体激发出了纠缠的量子振动。振动对应的量子称为“声子”,单个声子涉及约10^16个原子的振动,对应于约0.05毫米×0.25毫米大小的晶体区域,而他们用这种方式制造出了纠缠声子。研究者起首让一个激光光子通过度束器。假设在一般环境下,分束器能够将一束含有大量光子的较强的光分成强度参半的A、B两束;那么,当单个光子通过度束器时,这个光子就有50%的概率沿A路径传布,有50%的概率沿B路径传布;然而,若是我们不去探测光子事实沿哪条路径传布,则光子就处在“沿A路径传布”与“沿B路径传布”的叠加态。研究者在A、B路径上各放置一块金刚石,叠加态光子便会在金刚石中激发出纠缠态的声子,声子进而发射出次级光子。研究人员能探测到这个次级光子,但不晓得光子是从哪个金刚石发出的,因此能够认为金刚石中的声子发生了纠缠,或者说这个声子长短定域的——它同时具有于两块金刚石中。

  我们也能够借助纳米机械振子(nanomechanical resonators)这种相对“复杂”的系统来观丈量子效应。分子标准上的振动是量子化的,只能有一些特定的频次,或者是这些可能具有的振动模式的叠加态。而纳米机械振子尺寸和质量都足够小,理论上能够表示出量子化的振动形态。我们能够通过振子与光的彼此感化丈量振子的振动形态,这一研究范畴称为光力学(optomechanics)。研究光力学所用的最根基的安装由两个相对放置的镜面构成,光子能够在两个镜面之间不竭反射,而此中一个镜面与机械振子毗连,其位置能够来去振动,导致光子所处的电磁场情况发生周期性变化。

  现今,曾经有多个研究组用这种纳米标准的光力系统展现出了量子特征。美国国度尺度与手艺研究院(National Institute of Standards and Technology)的约翰·特费尔(John Teufel)与同事用厚度100纳米、直径15微米的铝膜做振子,将它与微波谐振腔耦合,形成光力系统。加州理工学院的奥斯卡·佩因特(Oskar Painter)等人则用硅做出了长度15微米,横截面长600纳米、宽100纳米的两头固定的梁布局振子。该振子要在显微镜下才能看到,但比拟于分子来说曾经算是宏观物体了。为了包管振子只在能量最低的模式下振动,避免振子被热噪声激发,两个研究团队都用制冷机将振子冷却到接近绝对零度,然后再用激光或微波进一步降温。

  为了在振子上制造出叠加态或纠缠态,我们必需能够节制它们的量子行为。有一种方式是将振子与某种能够切确操控的量子物体耦合起来,例如用于制造量子计较机的“量子比特”。加州大学圣芭芭拉分校的安德鲁·克莱兰(Andrew Cleland)和同事用量子比特操控了一片氮化铝薄膜。其他一些研究者也在测验考试制造叠加态的振子,察看它们若何在与情况发生纠缠时发生退相关。这些振子就像是一只只薛定谔的小猫,在真空中活蹦乱跳。

  若是我们可以或许成功地抑止退相关,那么我们是不是就能够制造出真正的薛定谔的猫了?这也许还不敷,由于要想晓得你简直制造出了薛定谔的猫,总得“察看”一下。一方面,猫与丈量安装耦合在一路,会导致猫发生退相关;另一方面,普朗克量子光学研究所的若阿内斯·科弗勒(Johannes Kofler)与维也纳大学的恰斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)在2007年提出,即便没有任何退相关要素,我们对于大型量子系统进行尝试研究,这本身可能就会导致其表示出典范特征。丈量,大概就是一个将量子不确定性转化为典范确定性的过程。

  科弗勒与布鲁克纳对此的注释是,缘由在于丈量不成能做到无限切确。凡是,量子力学教材会注释说,我们在宏观系统中无法察看到量子力学的不持续性,是由于我们的尝试丈量精度不足以将两个分立的能级区分隔来。跟着系统规模逐步增大,其能级也越来越稠密,如许本来边界清晰的分立能级就变成恍惚一片,仿佛是持续变化的。然而,因为丈量精度无限而导致的从量子持续性到典范持续性的改变,似乎并不克不及注释为何宏观物体不克不及处于叠加态。例如,一个网球虽然速度能够持续变化,但为什么不克不及处于两个分歧的速度形态的叠加态呢?

  对此,科弗勒与布鲁克纳的研究表白,当丈量精度不足以区分大系统的临近量子态时,描述系统随时间演化的量子力学方程将退化为典范的牛顿活动方程。布鲁克纳说:“我们严酷证明,当丈量精度较差时,多粒子系统将不会表示出纠缠等非定域特征。”也就是说,对于较大的物理系统,丈量精度的无限性不只导致我们无法观测到分立的量子态,并且还确实导致系统的其他量子性质退化为典范性质。

  然而上述论证仍然遭到质疑,由于在理论上,我们有可能缔造出一种奇异的情况(虽然现实中极难实现):对一个系统的某个量进行精度很差的丈量,同时却不让系统退化为典范形态。韩国的首尔国立大学的Hyun搜索引擎优化k Jeong与其合作者证明,便是在这种特殊情况下,丈量行为仍然会以其他体例粉碎系统的量子性。具体来说,除了我们所丈量的物理量的精度无限以外,我们在何时、何处进行丈量,也都有必然的不确定性。Jeong将丈量的时辰与位置称“丈量参照”,它也影响了量子系统能否会表示出典范性质。

  科弗勒说,退相关过程与无限的丈量精度,城市导致量子性质过渡到典范性质。若是退相关效应很强,那么不需要进行丈量,系统天然就会过渡到典范形态;而若是丈量手段不敷细密,那么即便量子系统很好地与情况隔离,退相关很弱,它也仍然会因丈量而变为典范形态。

  按照这种概念,我们可认为薛定谔的猫的悖论提出一种全新的注释。布鲁克纳说,我们永久也无法目睹一只猫既死又活;这种形态能够具有,也能够不发生退相关,但环节是我们不克不及“看到”它。“就算有人可以或许在我们面前制造出一只薛定谔的猫,我们也无法辨识,由于我们的察看手段太粗拙了。”也就是说,我们所可以或许实施的观测,总会给出与典范物理纪律分歧的成果。哪怕是用足够细小的光力学振子,其振动范畴不足0.1纳米,要想间接探测到叠加态也好不容易。Jeong坦承,要想在尝试中查验这个结论,其实是坚苦,但他仍然乐观地等候,可以或许在不久的未来看到尝试成果支撑他的设法。

  此外,人们还找到了其他一些体例来注释非退相关要素导致的量子-典范转换。出名数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)和匈牙利物理学家拉乔斯·迪西(Lajos Diósi)别离在20世纪80年代和90年代独立提出,万有引力大概导致了量子系统退化为典范系统。若是这一假说成立,那就意味着对于质量达到必然程度的物体来说,即便我们勤奋抑止其退相关,但引力效应仍然无法消弭,因此它必然会表示出典范性质。当一个物体通过引力感遭到另一个物体的时候,它们之间也就相当于发生了某种“丈量”,这会粉碎量子相关性。

  有些科学家但愿可以或许操纵光力系统查验这种退相关模式,包罗维也纳大学的马库斯·阿斯彭迈耶(Markus Aspelmeyer)和加州大学圣芭芭拉分校的德克·博米斯特(Dirk Bouwmeester)。阿斯彭迈耶的团队提出了名为MAQRO的空间尝试,操纵人造地球卫星上的零重力情况,探测直径100纳米(这对于量子效应来说曾经相当庞大)的颗粒之间的物质波干与。按照彭罗斯和迪西的引力塌缩思惟,或其他一些理论,足够大的颗粒之间该当无法发生物质波干与。

  比来,汉堡大学的物理学家罗曼·施纳贝尔(Roman Schnabel)提出了另一种验证万有引力导致退相关的尝试思绪。该尝试用到两个镜子,每个质量100克,毗连在弹簧上能够振动,从而使得镜面之间反射的光子与镜子的振动耦合。如许,我们能够制造出纠缠光子,再将这个纠缠形态转化为镜子振动模式的纠缠。若是我们关掉光源,然后察看接下来几微秒时间内两面镜子的振动,就有可能发觉两者之间的量子联系关系,从而测定退相关速度。若是现实测得的退相关速度与尺度量子理论预测的退相关速度之间具有不同,那么这就可能是源于万有引力的退相关效应。

  当然,我们是能够在宏观标准下察看到量子力学现象的,例如超冷原子无粘性流动的超流现象,以及特定材猜中电子能够无障碍活动的超导现象。我们以至能够说,日常接触到的一切固体,其性质都需要用量子物理来注释。

  然而,那些真正奇异的宏观量子物理现象,如叠加、纠缠,或者说涉及量子失谐的景象,则十分稀有。不外,我们大概不消把这些效应放大到宏观标准,就无机会间接看到它们。好比,人眼能够辨识少至3个的光子,于是伊利诺伊大学巴纳香槟分校的物理学家就想碰运气人眼对于处于叠加态或纠缠态的光子会做出何种反映。一些研究者认为,视觉信号在由视网膜传送到大脑的过程中,能够连结量子相关性,因而我们大概能够感遭到某种转眼即逝的叠加态。

  虽然前方的道路坚苦重重,我们仍是但愿可以或许制造出宏观系统的叠加态和纠缠态。薛定谔的猫,除了能够用来验证猎奇心能否会害死猫以外,更有助于人类研制量子计较机。量子计较机操纵量子物理中的叠加性,能够在处置某些问题时展示出庞大的劣势,而要实现量子计较,就需要制造大量处于叠加态或纠缠态的量子比特。因而,人类在摸索量子消息手艺的过程中,不成避免地要测验考试理解退相关效应与系统标准之间的关系,而且要想法子抑止它。

  物理学家日渐感觉,“薛定谔的猫”从准绳上讲能够具有,只是目前的手艺还不敷成熟。目前看来,手艺前提还差得很远,“手艺上做不到“跟“准绳上不成能”并没有什么区别。Jeong认为:“我们不成能在现实操作中完全抑止宏观系统的退相关效应;就算能够,那还有丈量精度无限的妨碍,愈加难以跨越。”不外,但愿总仍是有的,只需尝试安装足够细密,系统与外界的隔离做的足够好,没有来由认为量子效应不克不及具有于我们日常接触的物体的标准。至多到目前为止,我们还没有发觉任何介于宏观与微观之间的物体违背量子力学。

  2000年来,我们不断认为世界正如柏拉图在《抱负国》中描述的那样:统一事物不成同时以相反形态具有,亦不成同时成为相反之事物。但此刻这句话曾经不那么绝对了。薛定谔的猫一天天长大,总有一天宇宙也将展示出它愈加匪夷所思的一面。

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