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量子物理学新进展:“柴郡猫”变成现实
关键字: 量子量子物理量子力学柴郡猫量子柴郡猫薛定谔猫自然爱丽丝漫游仙境科技前沿在英国数学家刘易斯·卡罗尔的儿童文学名著《爱丽丝漫游仙境》中,柴郡猫会在消失后留下一个笑脸。科学家们首次将“量子柴郡猫”变成了现实。“量子柴郡猫”由一个粒子(如一个光子或中子)与其物理性质之一(如偏振或磁矩)的分离组成。正如那不具形体的微笑是“柴郡猫”的一个性质一样,偏振也是光子的一个性质。据BBC新闻网7月29日报道,研究人员将一束中子与其磁矩分离,就像乘客与他们的行李在机场安检被分开。
他们的成果近日发表在《自然通讯》上,这是一个仅在网上出版的多学科杂志,专门发表生物学、物理学和化学等各领域的高质量研究论文。
来自奥地利维也纳理工大学的研究人员称,同样的分离技巧原则上也可以运用到任何量子对象的任何性质上。
虽然“量子柴郡猫”仅对中子来说被观测到,但应有可能在其他物理体系中对其进行验证,而且这些内容对于高精度计量和量子信息技术可能会被证明有用,如在对量子系统的高精度测量时过滤掉扰动。
《爱丽丝漫游仙境》中,见到柴郡猫的爱丽丝说,她见过的猫大抵没有笑脸,她却从未见过有笑脸但没有身体的猫。而“量子柴郡猫”的想法早在2010年就由美国查普曼大学的Jeff Tollaksen提出,他也是这篇最新论文的合著者。
柴郡猫出自《爱丽丝漫游仙境》
电影《爱丽丝漫游仙境》中的柴郡猫
过去一年,物理学家预言,量子版本的柴郡猫是有可能存在的。在量子世界中,一个物体的位置有可能与它的性质分离开来。奥地利维也纳理工大学的Yuji Hasegawa和同事声称他们首次观测到了量子柴郡猫。研究报告发表在预印本网站上。
他们运用的方法是弱测量,传统的测量方法会改变量子对象的状态,而弱测量则能在保持量子态完整的情况下提取少量信息,通过与系统非常轻柔的接近来避免其从量子态坍缩。在最新研究中,物理学家在一边测量了中子的位置,在另一边测量了中子的自旋性质。研究人员证实,中子性质的“弱测量”(它们不会显著扰动系统)是对该现象进行观测所必需的,因为传统测量入侵性太强。
猫的比喻是对“薛定谔猫”的致敬。“薛定谔猫”是关于量子理论的一个理想实验。把一只猫放进一个不透明的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。那么打开盒子前,这只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,“薛定谔猫”概念的提出是为了反对量子理论中的二元解释。
为了证明“量子柴郡猫”不仅是一个漂亮的理论,研究人员利用了法国劳厄·朗之万研究所的干涉测量仪。将一束中子穿过硅晶体,将其送往两条路径。通过使用滤波器和一种称为“后选择”的方法,研究人员能够探测到中子束与其磁矩分离,当中子穿过干涉测量仪的一个臂时,其磁矩在沿着另一个臂穿行。“这就仿佛是中子束与其磁矩分别走了不同的路径。”研究人员说。
这就仿佛是中子束与其磁矩分别走了不同的路径。
(观察者网编译自BBC、Nature Communications网站)
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- 责任编辑:孙武
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