物理學家毛骨悚然:量子的基本守恆性質可以脫離量子本身存在

2020-12-14 煎蛋

一般來說,物質和附加在其上的屬性關係如《左傳·僖公十四年》所云:「皮之不存,毛將安傅?」

但,夢遊仙境的愛麗絲看到柴郡貓時忍不住想到:「我經常看到沒有笑容的貓,但還是第一次看到沒有貓的笑容!這是我一生中看到的最奇怪的東西!」

如果把皮/毛、貓/笑臉,換成某些量子力學術語,或許著名的物理學家亞基爾·阿哈羅諾夫(Yakir Aharonov)也可以寫出類似的名言。

從理論上,他與以色列的物理學家丹尼爾·羅利希(Daniel Rohrlich)一起,展示了有屬性卻沒粒子的量子性質。

更準確地說,他們認為信息可以在兩點之間傳遞而無需某種粒子載體。

該理論可追溯到2013年,當時美國和沙烏地阿拉伯的研究人員提出,量子波的凍結效應可能仍不足以阻止其傳輸信息。

「我們發現這非常有趣——兩個人之間沒有任何交流的可能性,但他們就是交換了信息。我們想看看是否能更好地理解這一現象。」

經過理論推導,最後的實驗模型其實非常簡單。

一條管道,一端是鏡面做成的門。在量子物理學中,只有觀察到物體才能定義對象。類似薛丁格的貓,門和某種量子機制綁定在一起,直到我們看到,才能確定鏡門是開是關。

然後從另一端射入粒子,因為粒子也具有概率波的特徵。它出現在某處是由概率決定的,且隨時間變化。那麼,直到粒子真的撞到鏡面上並被反彈,它的命運都是晦澀不明的。門可能關,也可能開著。粒子或許射出了管道,也可能被反彈了回去。

結果發現了什麼?簡單地說,根據物理學家的說法,關於其模態角動量或自旋的部分特徵,會隨反射鏡的開/關狀態而變化。

即便粒子本身無法觸及鏡面(使用某種設計,讓粒子的波函數無法佔據盡頭的空間),Aharonov和Rorlich也發現,自旋屬性似乎應該能夠伸出幽靈般的手指,碰觸遠端的門扉,然後再傳遞一些信息回來。

自旋是量子的基本屬性之一,其它還有電荷數和質量。我們還不清楚,粒子能不能化為概率波,卻把帶電屬性剝離出去,和別的什麼東西作用。

「沒有貓的笑容,那確實很奇怪。」羅利希說,「但是,當然,我們思考的是基本粒子。如果基本粒子因為自旋跑到了其他地方,而失去了自旋,也許我們還是可以習慣的。」畢竟量子理論就是這麼雞掰

阿哈羅諾夫對奇幻般的量子物理學帶來的荒謬感並不陌生。半個多世紀以前,正是他與著名的理論物理學家大衛·鮑姆(David Bohm)合作提出了反常識的阿哈羅諾夫-玻姆效應。

Aharonov–Bohm效應
即使在磁場為零的區域,仍舊會存在磁效應,然而,這並不能用來測量磁矢勢,因為只有磁通量會出現在表達效應的公式裡,而且整個理論始終維持規範不變性。阿哈羅諾夫-玻姆效應是量子力學和電動力學發展史上的重要實驗,說明了量子力學的非局域性質。

最早由日立公司經實驗證實。

但是明顯怪異的部分,目前還缺少公認的解釋。

阿哈羅諾夫的解釋基於名為「模量動量」的概念——很難在沒有量子場論數學基礎的情況下進行詳細介紹。

阿哈羅諾夫告訴Phys.org:「儘管粒子的屬性會脫離粒子存在,非常令人驚訝的,但這並不意味著什麼也沒有發生,或沒有實際效果。」

我們以後或許能夠利用這一特性搞出點什麼,但目前在理論上,可以揭示粒子的非局部特性:量子的性質有時可能比其本身的所在更重要。

這項研究發表在《物理評論快報》上。

https://www.sciencealert.com/schrodinger-s-cat-gets-a-cheshire-grin-in-a-mind-bending-quantum-physics-analysis

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