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新手已上路木蟲(chóng) (職業(yè)作家)
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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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