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新手已上路木蟲 (職業(yè)作家)
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薛定諤的貓之后，量子力學(xué)鴿籠問題又來了 已有9人參與
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幾十年來，量子力學(xué)的奇異性都是通過“薛定諤的貓”這一思想實驗來展現(xiàn)的：把貓關(guān)在盒子里，盒子里放有一個放射性原子，發(fā)生衰變的概率為50%，一旦原子衰變，放出的射線就會觸發(fā)瓶子里的毒藥把貓毒死，因此貓活下來和死去的概率各為一半，或者說，在盒子打開之前，貓?zhí)幱诩仁腔畹挠质撬赖臓顟B(tài)。 不過薛定諤的貓怕是要過時了——科學(xué)家提出了新的量子“鴿籠”難題：可以把三只鴿子放到兩個鴿籠里，并使同一個鴿籠里不能有兩只或以上的鴿子嗎？ 按照常理，把三只鴿子放到兩個鴿籠里，無論如何都會有兩只（或是三只）鴿子在同一個鴿籠里，這被稱為“鴿籠原理”，違背它好像是不可能的。但在量子世界，沒有什么事情是絕對不可能發(fā)生的。美國查普曼大學(xué)教授亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov，1932年生于以色列，曾與戴維·博姆共同提出量子力學(xué)的Aharonov-Bohm效應(yīng)而獲得1998年的沃爾夫獎）與合作者近期在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表論文，稱他們已經(jīng)找到了方法，可以把三個（甚至無限多個�。┝Ｗ臃旁趦蓚�盒子里，同時保證沒有兩個粒子在同一個盒子里。 而秘訣，當(dāng)然是利用量子力學(xué)奇妙的非局域性“魔法”。在量子世界，一個物體可以同時位于兩個地方。研究者讓每一個粒子都處于同時在兩個盒子內(nèi)的疊加態(tài)上，再對三個粒子的態(tài)進(jìn)行一個變換，就能找到一種情況，使任何兩個粒子的態(tài)都不在同一個盒子里。 不過，有一個最關(guān)鍵的問題：量子力學(xué)的非局域性只在沒有觀察/測量的時候才成立，就好像薛定諤的貓只有在打開盒子之前才能處于既活又死的狀態(tài)，一旦打開盒子觀察，貓就會“坍縮”成兩種狀態(tài)中的一種，要么活著，要么死去。同理，一旦觀察了粒子，每個粒子就會確定無疑地落到兩個盒子中的一個中，不可避免會出現(xiàn)兩個或三個粒子處于同一個盒子中的情況。而如果不能直接觀察，我們該如何確認(rèn)粒子違反了鴿籠原理呢？ 論文合作者之一，查普曼大學(xué)的杰夫·托拉克森（Jeff Tollasken）說：“如果你手中只有錘子一種工具，你就只能用錘子釘釘子的方法來對待一切事物，但這種‘板上釘釘’式的直接測量并不適合所有情況，尤其是在量子力學(xué)領(lǐng)域�！� 這個難題困擾了阿哈羅諾夫多年。在近20年中，他和同事們一直在研究一種新的“弱測量”（weak measurement）方法。如果說普通的測量就像用錘子轟擊被觀察的盒子，確定無疑但也摧毀了量子系統(tǒng)，弱測量方法就像用手指輕輕敲擊盒子，在觀察的同時仍能保持每只“鴿子”仍處于疊加態(tài)上。 在論文中，阿哈羅諾夫與合作者提出了兩種實驗方案可以違反鴿籠原理，一種使用電子作為“鴿子”，一種使用原子。使用電子的實驗裝置示意圖如下，將三個電子平行射入分束鏡BS1，分束器將三個電子將被分為透射和反射兩束，這就對應(yīng)了三只鴿子和兩個鴿籠。如果兩個電子處在同一束，它們之間就會發(fā)生相互作用，使運行的路徑發(fā)生改變，而如果兩個電子分別處于兩束路徑中，由于距離較遠(yuǎn)，它們之間就沒有相互作用。在實驗中，科學(xué)家需要多次入射三個電子組成的電子束，最終觀察打在探測器D1的屏上的所有電子累積形成的圖案，通過圖案就能區(qū)分任兩個電子是處于同一個“籠子”里，還是來自不同的“籠子”。 阿哈羅諾夫所設(shè)想的這一實驗，在將來很可能得以實現(xiàn)——至少他所提到的弱測量方法已經(jīng)由托拉克森和另一位合作者，維也納理工大學(xué)的長谷川祐司在物質(zhì)波干涉儀實驗中實現(xiàn)，并于去年12月發(fā)表在了《物理評論A》上（Phys. Rev. A 92, 062121）。 阿哈羅諾夫稱，這一研究不僅提出了量子力學(xué)中此前一直被人忽視的有趣現(xiàn)象，也促使我們深入探索量子力學(xué)與大自然中的本質(zhì)特性，如非定域性、相干和可分離性等等。托拉克森表示：“現(xiàn)在要想談?wù)撨@個研究有什么深遠(yuǎn)意義或許還太早了一些，但對于量子力學(xué)基本概念的探索無疑是重要的。”（撰文 丁家琦） |
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wanglei777
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4樓2016-02-04 10:41:16
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