我爱孩子 新闻 童年科普:一个最有趣的问题:万物皆量子吗?

童年科普:一个最有趣的问题:万物皆量子吗?

你曾经同时去过多个地方吗?如果你的尺寸比一个原子大得多,答案一定是否定的。但是粒子是不同的。它们受量子力学定律的支配。根据量子力学,几种不同的可能性可以同时并存。

量子系统受波函数控制,波函数是一个数学对象,描述了这些不同可能情况的概率。波函数中这些不同可能性的共存称为不同状态的叠加。比如一个粒子同时存在于几个不同的地方,我们称之为空叠加。只有在测量的时候,波函数才会坍缩,系统才会最终处于确定的状态。

一般来说,量子力学适用于原子层面的微观粒子世界。对于大尺度物体意味着什么,目前还没有定论。在最近发表在《光学设计》上的一项研究中,研究人员提出了一项实验,有望彻底解决这个棘手的问题。

20世纪30年代,奥地利物理学家欧文·埃尔温·薛定谔提出了一个著名的思维实验——盒子里的猫。根据量子力学理论,薛定谔的猫既可以是活着的,也可以是死了的。

在薛定谔的思想实验中,一只猫被放在一个密封的盒子里,盒子里有一个随机的量子事件,有50%的几率杀死这只猫。盒子里的猫在盒子被打开观察之前,是死是活。换句话说,在被观察之前,猫是以波函数的形式存在的。当它被观察时,它就变成了一个确定的物体。

经过多次争论,当时科学界对哥本哈根解释达成共识。基本上量子力学只能适用于原子和分子尺度,不能描述更大的物体。

但是在过去的二十年里,物理学家已经在大到肉眼可见的物体中创造了由数万亿个原子组成的量子态。但是,空之间的叠加没有包含在内。

但是波函数是怎么变成“真实”物体的呢?这就是物理学家所说的“量子测量问题”。近一个世纪以来,它一直困扰着科学家甚至哲学家。

如果有消除大尺度物体量子叠加可能性的机制,波函数会受到某种方式的扰动,从而产生热量。如果能找到这种热量,就意味着大规模的量子叠加是不可能的。如果这种热度可以消除,就意味着自然界可能不介意任何尺度上的“量子化”。如果是后者,随着技术的发展,我们应该可以把大物体,甚至是有知觉的生物,放到量子态。

量子叠加中的谐振腔示意图。红色的波代表波函数。|图片来源:克里斯托弗·贝克

物理学家不知道是什么机制阻止了大规模的量子叠加。一些科学家说,这可能是宇宙学的一个未知领域,而另一些科学家怀疑重力可能与此有关。今年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯曾认为生物意识可能与此密不可分。

在过去的十年里,物理学家们一直在急切地寻找能够表明波函数受到干扰的微量热。为了找到这种热源,人们需要一种能够(尽可能完全地)抑制所有其他多余热源的方法,因为那些热源可能会阻碍精确测量。科学家还需要控制一种叫做量子“反应”的效应,这种效应是通过观察动作本身而产生的热量。

在这项新的研究中,研究人员设计了一个实验,有望揭示空在大规模物体上叠加的可能性。到目前为止,最好的实验都没有达到这个目的。

和之前的实验一样,新设计的实验会需要一台比绝对零度仅高0.01开尔文的冰箱,但会使用比之前频率更高的谐振器,可以消除冰箱本身的发热问题。

在极低温和极高频率的组合下,谐振器中的振动会经历玻色凝聚过程。你可以简单的想象一下,谐振器冻得冰箱里的热量根本无法控制。新设计的实验也会使用不同的测量策略,不关注谐振器的运动,而是看它有多少能量。这种方法也能很好地抑制反应热。

那么实验应该如何进行呢?研究人员计划让单个光子进入谐振器,来回反弹数百万次,以吸收所有剩余的能量。这些粒子最终会离开谐振器,带走多余的能量。通过测量光子的能量,研究人员可以确定谐振器中是否有热量。

如果有热量,说明波函数被某个未知源干扰了(超出了研究者的控制范围)。这意味着大规模叠加是不可能的。

新研究提出的实验极具挑战性。用作者的话来说,“这不是那种周日下午可以随便安排的事情”。这可能需要数年的发展、数百万美元的资金和一群经验丰富的实验物理学家。

然而,它可以回答一个关于我们现实的最有趣的问题:一切都是量子的吗?

作者:斯蒂芬·福斯特纳(昆士兰大学博士后研究员)

本文来自网络,不代表我爱孩子立场,转载请注明出处。

发表评论

返回顶部