鐺！「薛丁格的鐘」

2020-11-01 光明網

圖片來源：Pixabay

物理學家們描述了一種將量子理論和愛因斯坦狹義相對論結合的方法——甚至給出了實驗測量的方式，和「薛丁格的貓」類似，在某種程度上它可以被看做「薛丁格的鐘」。

撰文 | 喬納森·奧卡拉漢（Jonathan O'Callaghan）

翻譯 | 王昱

阿爾伯特·愛因斯坦的雙生子佯謬（twin paradox）是物理學中最著名的思想實驗之一。它的基本假設是，如果雙胞胎中的一個以接近光速朝一個恆星進行往返航行，當他返回時，會比雙胞胎中的另一位更年輕。年齡差異是由時間膨脹引起的，愛因斯坦的狹義相對論描述了這種時間膨脹：速度越快，時間越慢。

但如果我們考慮量子理論呢？在發表於《自然·通訊》的一項研究中，聖安瑟姆學院（Saint Anselm College）和達特茅斯學院（Dartmouth College）的物理學家亞歷山大·史密斯（Alexander Smith）以及聖克拉拉大學（Santa Clara University）的梅赫迪·艾哈邁迪（Mehdi Ahmadi）分析了這個問題。他們設想了一個處在疊加態的量子原子鐘，它能測量出它經歷的兩種不同的時間——疊加是量子力學中一個奇特的現象，在疊加態下一個物體可能表現為同時處在兩個位置。「我們從愛因斯坦的狹義相對論中知道，當鐘相對於另一個鍾運動時，它顯示的時間會變慢，」史密斯說，「但是量子力學允許你考慮一個問題：如果這個鐘以兩種不同速度的疊加運動，會發生什麼？」

疊加是量子物理的一個奇異特性，它允許一個物體最初可能同時在多個位置，但觀測它時，只有其中一種狀態變為真。粒子可以在某些實驗中處在疊加態，比如用一個分束器把光子分成兩束，這樣就能展示這種現象。疊加態中的兩個粒子似乎在被觀測前共享信息，讓疊加態這種現象可以用於加密和量子通訊。

同時，一些原子可以充當原子鐘，用它們衰變的比例來表示經過的時間。在他們的論文裡，史密斯和艾哈邁迪描述了一個處在疊加態的原子鐘如何測量時間膨脹，就像愛因斯坦雙生子佯謬一樣，一個態以幾米每秒的速度運動，而另一個保持靜止。就像「薛丁格的貓」思想實驗描述的那樣，原子並不會簡單地同時處於兩種狀態，不同態上的原子年齡的確會有所不同。「這可以說是『薛丁格的鐘』。」史密斯說。

牛津大學的物理學家弗拉特科·韋德拉爾（Vlatko Vedral，未參與這項研究），他說這個觀點為量子力學與相對論的融合提供了難得的機會——眾所周知，這兩個物理學領域並沒有很好地結合在一起。他說：「實際上，你可以將量子力學中的疊加原理與相對論中的時間膨脹概念結合起來。這正是愛因斯坦的雙生子實驗，不過現在作用在同一個系統上。這時時間就扭曲了。最終狀態很妙，因為原子回到了它開始的地方，但是在內部，它感受到兩種時間。它同時處在新和舊的疊加態。」

儘管這個效應小到人類無法察覺，但量子時間膨脹的觀點可能會對高精度量子鍾產生影響。至關重要的是，新研究表明測量這樣的影響是有可能的。「我希望這篇論文能促使人們在實驗室裡進行嘗試。」韋德拉爾說。史密斯表示可能不久後就會起草實驗提案，或許要用光譜學分光，以尋找量子時間膨脹的特徵。「我們可能在五到十年內看到這個現象，」他說，「我認為這並不是天方夜譚。」

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來源： 中科院高能所

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