量子世界有多大?
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奧地利和瑞士科學家已經成功地將只有100到140
奈米
寬的奈米粒子冷凍,讓它們幾乎完全進入最低能量的量子狀態,使它們的溫度僅比絕對零度高出幾百萬分之一度,並且可以精確的測量它們的空間位置。
一直以來,研究人員一直在穩步增加粒子的大小,從原子到小分子,然後是大分子……他們希望得到表現出量子效應的粒子能持續到何種尺寸。
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宏觀狀態下,每個物體都有自己的位置,我們可以透過座標系統精確地確定一個物體的空間位置。
當進入微觀世界,物質達到量子級別,重力不再起作用,粒子將進入一個所謂的量子疊加狀態——在測量它們之前,不可能說它們就在它們的位置,它可以在這裡,可以在那裡,也可以在別的地方。
但是當粒子與周圍環境相互作用時,這種量子效應往往很容易受到干擾,因此,隨著物體變大並經歷更多的相互作用,建立疊加狀態會變得困難,這些相互作用幾乎瞬間疊加-坍塌。
量子疊加效應的消失是由於粒子的大小限制?還是因為量子行為與重力不相容(原子和分子可以忽略不小)?
這些問題在量子理論的百年曆史中一直存在的問題。
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另一個與精確測量粒子的空間位置相反的想法是,對於疊加態的粒子,根本就沒有明確的答案——“位置”的屬性定義不明確。當我們看粒子時,我們怎麼知道粒子是在疊加之前的粒子,還是現在的粒子?
所以,我們不需要精確知道粒子的位置,我們只要知道它們在空間出現的機率即可,就像波一樣,而且可以用波函式數學公式來描述。
當粒子穿過螢幕上兩個狹小的隔縫時,量子干擾最為明顯。如果我們關注粒子到底穿過哪個縫隙,那麼粒子的行為將很像水波,其波功能將同時透過兩個縫隙傳播,從而形成雙峰干涉。但是,如果我們在縫隙放置一個測量裝置來告訴我們每個粒子是否透過它,觀察粒子的路徑,那麼幹擾模式就會消失。
那麼物體尺寸多大時,還能同時表現出波和粒子的性質(簡稱波粒二象性)?
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從理論上講,任何大小物質都能表現出波動性和粒子性,但是隨著物種尺寸的增大,物質的波動性不明顯。
1999年,維也納大學的量子
物理學家
安東·澤林格用碳60進行了雙縫實驗研究這個問題,他們發現一個清晰的干擾模式,證明即使是像C60這樣0。7奈米的分子可以進行干涉試驗。
2011年,量子物理學家馬庫斯·阿恩特和他的團隊對碳基有機分子進行干涉試驗,每個原子最多430個原子,直徑高達6奈米。2019年,他們用大約2000個原子的分子做到了這一點。2020年,他們用生物分子(一種叫做克麥地那A1的天然肽)進行了干涉實驗。他們的目標是每年或兩年將粒子的質量增加10倍,最後用生物進行干涉試驗,探索量子干涉的極限。
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馬庫斯·阿恩特實驗室干涉儀的高真空室
現在,
量子力學
似乎與現代重力理論(愛因斯坦的
廣義相對論
)不相容。量子世界是離散的和粒子性的,而相對論則把時空描述為平滑和連續。通常情況下,這種不和諧可以忽略,因為量子力學描述尺度非常小的微觀世界,而廣義相對論描述大宇宙天體。如何將極小和極大聯絡在一起,這是物理學界的一座聖盃,包括霍金在內的幾代物理學家已經為之傾盡畢生心血。
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英國數學物理學家羅傑·彭羅斯認為,在中尺度上,當量子理論與廣義相對論相沖突時,後者將獲勝,破壞量子效應。在廣義相對論下,任何具有顯著引力場的物體都會扭曲時空。但是,處於疊加狀態的物質會產生兩個疊加的時空,這是廣義相對論不允許的情況,在此種情況下,重力將作出選擇,只能保留一種情況。那麼在此種情況下,可以監測到粒子重力,產生疊加的粒子重力也在發揮作用。
換句話說,將量子尺度擴充套件到重力起作用的大小,並在波函式坍縮之間觀測到它們,那將是對量子力學本質的巨大發現。
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