瑞士科學家對80歲「幽靈」量子悖論進行大規模測試

2020-12-05 博科園
博科園:科學科普-粒子物理學類

一組瑞士科學家對量子力學中最奇怪的悖論進行了一次大規模測試,阿爾伯特·愛因斯坦懷疑地稱為「鬼魅般的超距作用」。故事發生在80多年前。回到1935年,愛因斯坦和物理學家鮑裡斯·波多爾斯基和內森·羅森發現了一些奇怪的東西。它們纏結了兩個粒子——我們叫它們愛麗絲和鮑勃——這樣它們的物理性質就連在很遠的地方都有聯繫,你對一個粒子做的任何事情都會影響到另一個粒子。直覺上,你會認為如果你能接觸到愛麗絲,就會知道她比你對鮑勃的了解更多。這也是你所期望的愛因斯坦相對論物理定律在大尺度上。

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein),圖片:Library of Congress

但是物理學家三人組發現了一些奇怪的東西,現在被稱為愛因斯坦-波多斯-羅森(EPR)悖論:通過研究愛麗絲,你對鮑勃的了解比你對愛麗絲的了解要多得多。後來使用單個粒子的實驗證明了物理學家在這一點上是正確的。但(4月26日)在《科學》雜誌上發表的這項新實驗表明,即使是一團近600個過冷的粒子也會產生這種效應。這並不令人驚訝,確切地說,最初以兩種粒子構成的悖論也出現在數百個粒子簇中。在一個非常小的系統中工作的物理也應該在更大的系統中工作。但是科學家們進行這些更複雜的測試,因為他們幫助證實了舊的理論,並縮小了這些理論可能是錯誤的方法。他們還展示了現代技術的能力,愛因斯坦和他的同事們只能用抽象的術語來思考。

為了完成這個實驗,研究人員冷卻了大約590個銣原子(給予或取30個原子)到絕對零度的邊緣。在這種溫度下,原子形成了一種稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的物質狀態,正如現場科學所報導的那樣,這是一種物質的狀態,在這種狀態下,一大群原子被糾纏在一起,它們開始變得模糊,彼此重疊;它們開始表現得更像一個大粒子而不是許多單獨的粒子。量子物理學家喜歡用玻色-愛因斯坦凝聚態進行實驗,因為這種物質傾向於在足夠大的尺度上展示量子世界的怪異物理,讓科學家們直接觀察它。

在這個實驗中用高解析度成像來測量銣原子湯中不同部分的自旋。冷凝物中的原子如此糾纏在一起,以至於物理學家只能通過研究第一個來預測第二大塊的行為。發現,這兩大塊原子都糾纏在一起,以至於當第一個物體被觀測到的時候,第二個物體的行為實際上是更容易知道的,反之亦然。對於量子世界來說,EPR悖論已經在一個相對大規模的範圍內出現了。

博科園-科學科普|文:Rafi Letzter/Live Science

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