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引力殺死了“薛定諤的貓” 已有2人參與
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理論物理學(xué)家認(rèn)為,是扭曲的時(shí)空造成了量子效應(yīng)在大尺度物體上的消失。 在埃爾溫·薛定諤那個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)中,量子世界里的貓既是活的又是死的,它處在活與死的疊加態(tài)上。但為什么在日常的宏觀(guān)世界中我們看不到這類(lèi)現(xiàn)象呢?物理學(xué)家的解釋是環(huán)境的干擾所致:處在量子疊加態(tài)上的物體一旦與其他物體或者場(chǎng)發(fā)生作用,它就立刻坍縮到其中一個(gè)本征態(tài)上,與日常世界中別的物體一般無(wú)二。 但維也納大學(xué)的研究者近期表示,哪怕物理學(xué)家可以完全隔離出一個(gè)處在量子疊加態(tài)的宏觀(guān)物體,它仍然會(huì)自發(fā)坍縮到一個(gè)態(tài)上——至少在地球上是這樣!盎蛟S在星際空間的某處,貓可以持續(xù)保持在量子相干態(tài)上,但在地球上,或是在任何行星的周邊,很難做到這一點(diǎn)!蔽锢韺W(xué)家Igor Pikovski說(shuō),“而造成這一切的原因,就是引力! Pikovski和同事們的這一想法發(fā)表在6月15日的《自然·物理學(xué)》(Nature Physics)上,到目前為止還停留在數(shù)學(xué)論證的階段。但也有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)此深感興趣,希望用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)一下引力到底是不是量子疊加態(tài)坍縮的原因。來(lái)自英國(guó)南安普頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Hendrik Ulbricht表示:“這真是一個(gè)新穎而酷炫的想法,我愿意努力把它付諸實(shí)踐!辈贿^(guò)他也補(bǔ)充說(shuō),根據(jù)目前的技術(shù)而言,想要設(shè)計(jì)并做出這樣的實(shí)驗(yàn),可能需要十年之久。 引力是如何使薛定諤的貓?zhí)s的? 如果你看過(guò)去年的大片《星際穿越》(Interstellar),你可能就已經(jīng)熟悉了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論中所提出的這條原理:大質(zhì)量物體周?chē)臅r(shí)間流逝會(huì)變慢,因?yàn)闃O強(qiáng)的引力場(chǎng)會(huì)改變周?chē)鷷r(shí)空的結(jié)構(gòu)。這就是為什么在電影中黑洞周?chē)贿^(guò)去一小時(shí),地球上就已經(jīng)過(guò)了七年。而引力改變量子效應(yīng)所依據(jù)的也是這條原理:在更微觀(guān)的層面上,地球附近的一個(gè)分子受到地球引力的作用,它所經(jīng)過(guò)的時(shí)間也會(huì)比遙遠(yuǎn)空間中的時(shí)間稍微慢一點(diǎn)點(diǎn)。 Pikovski的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),由于引力對(duì)時(shí)空的影響,分子位置的變化會(huì)影響它的內(nèi)能,即分子內(nèi)部粒子的振動(dòng)能量,其也會(huì)隨著時(shí)間而演化。假如一個(gè)分子處于兩個(gè)位置的疊加態(tài)上(即“既在這里,又在那里”),位置與內(nèi)能之間的關(guān)聯(lián)會(huì)使得它迅速發(fā)生“退相干”,即坍縮到一條路徑上。Pikovski補(bǔ)充道:“在大多數(shù)情況下,退相干都是由某種外部因素導(dǎo)致的,但在這里我們發(fā)現(xiàn),分子內(nèi)部的振動(dòng)似乎也會(huì)影響分子本身的運(yùn)動(dòng)! 實(shí)驗(yàn)的局限性 到現(xiàn)在為止還沒(méi)人能親眼看到這種效應(yīng)的發(fā)生,這是因?yàn)榇艌?chǎng)、熱輻射和振動(dòng)等等因素造成的影響更大,在這些因素的干擾下,還沒(méi)等到引力發(fā)揮作用,量子系統(tǒng)早就已經(jīng)先坍縮了。但實(shí)驗(yàn)學(xué)家仍然渴望嘗試驗(yàn)證這一想法。 同樣來(lái)自維也納大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Markus Arndt于2011年設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)量子疊加在稍大的物體上能否成立(詳見(jiàn)Nature 2011年的報(bào)道:http://www.nature.com/news/2011/050411/full/news.2011.210.html)。他讓大分子通過(guò)一個(gè)物質(zhì)波干涉儀,擺在它面前的有兩條路徑。在經(jīng)典世界中,分子只會(huì)通過(guò)一條路徑;而如果分子具有量子特征,它會(huì)同時(shí)通過(guò)兩條路徑,并且自己與自己發(fā)生干涉,形成特征性的干涉條紋(見(jiàn)下圖)。 采用類(lèi)似的儀器也可以檢驗(yàn)引力能否影響物體的量子行為:在垂直放置的干涉儀中,引力會(huì)造成時(shí)間的延遲,從而破壞物體的相干態(tài);而在水平的干涉儀中,引力不會(huì)對(duì)物體的狀態(tài)施加額外的影響,量子疊加態(tài)得以保持。Arndt已經(jīng)使用由810個(gè)原子組成的分子做了實(shí)驗(yàn),他指出,為了測(cè)量引力的效應(yīng),需要采用比這更大的分子,因?yàn)榉肿釉酱,分子中各個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)自由度帶來(lái)的內(nèi)能貢獻(xiàn)也就越大。除此之外,研究者還需要嚴(yán)格控制外界環(huán)境的影響,以減少其他可能導(dǎo)致退相干的效應(yīng),同時(shí)把兩條路徑之間的距離從毫米量級(jí)增加到米量級(jí),或者把分子質(zhì)量提高100萬(wàn)倍!帮@然,這是極具難度的挑戰(zhàn)!盇rndt說(shuō)。 如果引力的確限制了地球上的量子行為,對(duì)更大物體的量子檢驗(yàn)最終就得挪到太空中進(jìn)行了,來(lái)自意大利的里雅斯特大學(xué)的物理學(xué)家Angelo Bassi說(shuō)!暗珡母羁獭⒏举|(zhì)的角度來(lái)看,這也并不是什么新觀(guān)點(diǎn),”他說(shuō),“引力場(chǎng)歸根結(jié)底也只是一種會(huì)與量子系統(tǒng)相互作用的影響因素,所以就算把實(shí)驗(yàn)放到?jīng)]有引力的宇宙空間里做從而消除了引力的影響,我們也無(wú)從得知量子行為是否最終會(huì)引向經(jīng)典實(shí)在。” Pikovski與同事們描述的這一效應(yīng)中也并未提到所謂的“量子引力”:量子引力(quantum gravity)是把引力與量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)的理論,目前是很多理論學(xué)家嘗試研究的目標(biāo)。Bassi說(shuō):“我們所描述的效應(yīng)只是將量子物理應(yīng)用到經(jīng)典廣義相對(duì)論上得出的,它并沒(méi)有整個(gè)改變對(duì)世界的描述方式!保ㄗ Elizabeth Gibney 翻譯 丁家琦) 原文鏈接:http://www.nature.com/news/how-g ... inger-s-cat-1.17773 像酞菁這樣的復(fù)雜大分子也能形成量子干涉條紋。 |
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金蟲(chóng) (小有名氣)

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