活生生的量子世界

来源 :飞碟探索 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ff927
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  根据标准的物理教科书,量子力学是微观世界的理论,用来描述粒子、原子和分子;而描述宏观尺度的梨子、人和植物时,就得改用一般的古典物理。
  分子与梨子间有个边界,在那儿量子力学的奇特行为消失,出现我们熟悉的古典物理行为。量子力学只适用于微小世界的这种印象,普遍存在于人们的科学知识里。例如,在畅销名著《优雅的宇宙》的第一页,美国哥伦比亚大学的物理学家布赖恩·格林提到,量子力学“提供一个理论架构,让我们理解最小尺度下的宇宙”。古典物理(涵盖量子以外的所有理论,包括爱因斯坦的相对论)则负责最大尺度的世界。
  然而,对世界做这种方便的切割,其实是种迷思。很少有现代物理学家会认为古典物理和量子力学具有同等的地位,古典物理应该只是具有量子本质的世界(不论大小)的一种有用近似。虽然在宏观世界可能比较难看到量子效应,但原因基本上跟大小无关,而是跟量子系统彼此作用的方式有关。
  一直到十几年前,实验学者仍未证实量子行为可以出现在大尺度系统,如今这已是家常便饭。这些效应比任何人所想的都还要普遍,甚至可能出现在我们身体的细胞里。
  即使是我们这些靠研究这类效应吃饭的人,也还没完全理解它所教给我们的、关于自然运作的方式。量子行为很难可视化,也不容易以常识理解。它迫使我们重新思考观察这宇宙的方式,并接受一个新颖又陌生的世界图像。
  缠结难解的故事
  对量子物理学家而言,古典物理是全彩世界的一个黑白影像,无法完整呈现这个丰富的世界。在旧教科书的观点里,当尺度一变大,色调就不再丰富。个别粒子具量子性质,一堆粒子则变为古典。
  然而,关于尺寸并非决定性因素的第一个线索,可以追溯到物理学历史上最有名的思想实验之一:薛定谔的猫。
  1935年,薛定谔想出一个病态的情节来说明微观与宏观世界是连在一起的,我们无法画出界线。量子力学说,放射性原子可以同时处于衰变及未衰变的状态;若将原子与一瓶可以杀死猫的毒药扯上关系,使得原子衰变会导致猫死亡,则猫会如同原子般处于模棱两可的量子态。怪异性质由一个感染到另一个,大小在此并不重要,问题是为何猫的主人都只会看到他们的宠物非死即活?
  以现代的观点,世界看起来像古典的,是因为物体与环境间复杂的交互作用将量子效应掩藏了起来。例如,猫的生死信息通过光子和热交换,迅速渗漏到环境里。量子现象会牵涉到不同古典状态的组合(例如同时死与活),而这种组合会很快散逸掉。这种信息的渗漏便是“去同调”过程的基础。
  大的东西比小的容易去同调,这就是为什么物理学家通常可以只把量子力学当成微观世界的理论。但在许多例子里,这种信息渗漏可被减缓或停止,如此一来,量子世界就会全然显露。
  缠结是典型的量子现象,是薛定谔于1935年在那篇将他的猫介绍给全世界的论文里发明的名词。缠结将几个独立粒子捆绑为不可分割的整体。一个古典系统总是可被分割的,至少原则上是如此;由个别组件集合而得的性质,在个别组件里也会有。但是缠结的系统无法如此分割,并且会导致奇怪的结果:缠结的粒子即使互相远离,仍会表现为单一整体,这就是爱因斯坦所称的、著名的“幽灵般的超距作用”。
  物理学家通常讲的是电子等基本粒子的缠结。这些粒子可粗略想象为旋转的小陀螺,以顺时针或逆时针方向旋转,转轴指向任意给定的方向:水平、垂直、45°角等。测量其自旋时,必须选定一个方向,观测粒子是否沿着那个方向转动。
  为了方便说明,假设粒子表现的是古典行为。你可以让一个粒子沿水平轴顺时针方向旋转,另一个沿水平轴逆时针方向旋转;如此一来,二者的总自旋为零。它们的转动轴在空间中是固定的,测量结果取决于你选的方向是否沿着粒子的转动轴。如果对二者都做水平轴的测量,则会看到两个粒子的转动方向相反;如果都做垂直轴的测量,则完全不会侦测到这两个粒子的转动。
  然而,如果是具有量子性质的电子,则情况会惊人的不同。你可以让粒子的总自旋为零,即使你没有给定个别粒子的转动方向。测量其中一个粒子时,你会看到它随机以顺时针或逆时针方向转动,就好像粒子是自己决定要朝哪个方向转。而且,不管你选择测量哪个方向,只要对这两个粒子测量同一方向,则测得的转动方向永远相反,一个顺时针,一个逆时针。它们怎么知道要这样做?这仍然是个极其神秘的性质。不仅如此,如果你对一个粒子做水平轴测量,对另一个做垂直轴测量,则仍可测量到部分自旋,这就好像粒子没有固定的转动轴。因此,测量结果是古典物理无法解释的。
  谁在帮助原子排列?
  大部分的缠结实验都只用到几个粒子,因为一大群粒子不容易隔绝环境的影响,其中的粒子很容易跟无关的粒子缠结,破坏原始的内在联结。以去同调的说法,就是有太多信息渗漏到环境里,造成系统有古典的行为。对我们这些寻找缠结的实际用途(例如量子计算机)的研究人员来说,保持缠结是一项重要的挑战。
  2003年,有一个巧妙的实验证实,如果能够减少渗漏或加以抵消,则大的系统也可以保持缠结。
  英国伦敦大学的加布里埃尔·阿普尔等人将一块氟化锂盐放在外加的磁场里,盐里的原子就像旋转的小磁棒,会尽量与外加磁场同向,这种反应表现为磁化率。原子间的作用力就像同侪压力般,会让它们更快排列整齐。研究人员改变磁场强度,然后测量原子排得多快。他们发现,原子的反应速度比彼此作用力的强度所能提供的还快。很显然,在这个实验中有额外的效应帮助原子排列整齐,而研究人员认为这是缠结造成的。若真如此,则盐块里的1020个原子形成了巨大的缠结态。
  为了避免热能所造成的无序运动,阿普尔的团队是在极低的温度下做实验(仅千分之几K)。不过,在那之后,巴西物理研究中心的亚历山大·马丁斯·德·苏萨等人以室温或更高的温度,在铜羧酸盐之类的材料里发现了宏观缠结,自旋粒子间的交互作用强到可以抗拒热能所造成的无序。在其他例子里,则必须用外力抵挡热效应。物理学家在越来越大、越来越高温的系统里看到缠结:从以电磁场捕获的离子到晶格里的超冷原子,再到超导量子位。
  这些系统就像薛定谔的猫。考虑一个原子或离子,其电子可能靠近或远离原子核(或是既靠近又远离)。这种电子就像薛定谔思想实验里可能衰变、也可能没衰变的原子。不管电子在哪儿,这整个原子是可以向左或向右移动的,运动方向是左或右就像猫是死的或活的。物理学家以激光操控原子;可以将这两种性质扯上关系。如果电子靠近原子核,就让原子向左移动;如果电子远离原子核,就让原子向右移动。如此一来,电子的状态就跟原子的移动缠结起来,如同原子衰变跟猫的状态缠结起来一样,同时既向左又向右移动的原子,可以模拟既死又活的猫。
  许多其他的实验也扩展这种基本概念,使大量的原子也可以缠结,从而进入古典物理不可能说明的状态。如果大体积且高温的固体可以缠结,我们只要稍用想象力就可以问:又大又暖和的特殊系统——生命,也是如此吗?
其他文献
你在读着这个句子时,很可能会想着“这一刻”(就是现在),也就是正在发生的“当下”。此时此刻似乎很独特、很真实。不管你对过去有多少记忆,对未来如何憧憬,你都活在当下。当然,你阅读刚刚那句话的那一刻已经不再,这句才是当下。换句话说,时间似乎在流动,亦即“当下”也在不断更新。在我们直觉的深处,未来是开放的,直到它成为现在,而过去已被固定住了。时间流动时,这种过去固定、现在发生、未来开放的结构不断在时间中
期刊
触摸岁月的痕迹(2004)
期刊
我们认为过去在建立相对论时,所用的描述方式并不是最好的。现在,距离爱因斯坦具有革命性的发现已经超过一个世纪了,从现代的观点来看,我们发现了能更深入理解,并且更令人满意的看待时间和空间的方式。在这个过程中,我们将能够慢慢理解闵考斯基所说的,时间和空间必须融合在一起,形成一个新的混合体。一旦我们对它们有了一个更加全面和合理的理解,将很快能够达到我们最重要的目的,那就是依靠自己的力量推导出E=mc2这个
期刊
行星可以在质量极小的天体周围形成,這样的证据层出不穷。事实上,甚至在那些质量已经低到连它们本身都可被视为行星的天体周围,行星也许仍然会形成。  利用位于智利的两台欧洲望远镜,贾亚瓦德哈那和他的同事瓦伦蒂诺·伊万诺夫观测了7颗自由飘荡的亚恒星天体,并且拍摄了它们的光谱。贾亚瓦德哈那和伊万诺夫发现,其中2个天体的质量只有木星的5倍~10倍,也就是行星质量天体;另外2个天体的质量为10倍~15倍木星质量
期刊
c.德黑兰事件  事件发生在1976年9月18日—19日夜,世界各地媒体或多或少地报道过此事。一位美国市民依照《信息自由法》艰难地从国防情报局手里拿到了一份报告。报告是在对与事件有关的将军和伊朗空中控制员进行采访后归纳所得,因此可信度很高。  18日23时,德黑兰机场控制塔台接到几个呼叫说看到首都北部赛米兰居民区上空有个静止的发光体。当夜值班主管侯赛因·佩洛兹走出来,用双筒望远镜观察这个物体。他看
期刊
在20世纪,天文学家绘出了很大的天图,远远超出了太阳系和整个银河系。可是最近几年来,宇宙制图学家又重绘了银河系的图像,那是为什么?因为有许多天体过去一直未能见到。  银河系是太阳系所在的恒星系统,聚集了2000余亿颗恒星和大量的星团、星云,还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的直径约为100000光年,中心厚度约为12000光年,总质量是太阳质量的1400亿倍。银河系是一个旋涡星系,具有旋涡结构,
期刊
1981年1月的一个早晨,在墨西哥阿基斯科公园附近,摄影师拉洛斯·迪亚斯把车停进了一个废弃的停车场。迪亚兹坐在车里,为接下来的工作调整相机。清晨的空气湿厚,坐着很不舒服。迪亚兹不耐烦地看看手表。一道奇怪的黄光从他身后山谷突然出现,吸引了他的注意。起初,他认为是森林火灾,但瞬间光源显示为一个橙色的巨大椭圆形UFO,在距离他的车30米处徘徊。  迪亚兹无法相信自己的眼睛,把相机搁在方向盘上,疯狂拍摄。
期刊
时间:2012年9月20日17时25分左右地点:哈尔滨市南岗区龙塔附近拍摄工具:lphohe4手机,像素500万姓名:郑鑫地址:哈尔滨是道里区安升街158号。
期刊
在2012年6月15日下午,同事郭家铭寄来一封电子邮件,揭开了我研究生涯中最激动的两周。郭家铭的邮件内容仅有短短的三行,说“盒子已经打开,125GeV处确有信号。”最后,他又加了一句,要我绝对保密。邮件内容虽然简单,但对一个从事量子物理实验30年的人来说,却是惊心动魄的。  所谓“盒子打开”,是数据分析的一个手法,目的在于避免研究人员看到未成熟的结果,有了预期心理,而开发出带有偏见的分析方法。所以
期刊
宇宙是个既复杂又难以理解的地方。我们在空气中行动自如,但却没办法穿墙而过;太阳将一种元素转变成另一种元素,让地球沐浴在温暖和光亮之中;无线电波可以将人类的声音从月球表面送往地球,伽马射线可能对我们的DNA造成无法复原的损害。表面上看,这些现象之间似乎互不相干,但是物理学家发现了若干原理,再整合成极度简洁的理论,能够解释包含这些在内的许多现象,这便是量子物理学的标准模型。  标准模型是史上发展得最成
期刊