量子力學新的突破!科學家證明大粒子也可以同時出現在兩個地方

2021-01-09 無為有知

多虧了神奇的量子物理,大分子可以同時出現在兩個地方。

科學家們早就知道這一事實在理論上是正確的:宇宙中的每一個粒子或粒子集合體都是一種波——大粒子如此,細菌如此,人類如此,甚至行星和恆星也是廣義上的波。波可以在空間中同時佔據多個位置。所以任何一塊物質也可以同時佔據兩個位置。物理學家稱這種現象為「量子疊加」,幾十年前,他們已經用小粒子證明了這一點。

但近年來,物理學家們擴大了實驗規模,用越來越大的粒子來演示量子疊加。如今,在最新發表在《自然·物理》雜誌上的一篇論文中,一個國際研究小組已經讓多達2000個原子組成的分子同時佔據了兩個位置。

物質都是波

為了實現這一目標,研究人員在一系列著名的古老實驗基礎上,建立了一個複雜的現代化版本的雙縫幹涉實驗。

研究人員早就知道,光穿過有兩個狹縫的薄片時,會在薄片後面的牆上形成幹涉圖樣,或者說是一系列明暗條紋。但是光被視為無質量的波,而不是由粒子構成的,所以這並不奇怪。然而,在20世紀20年代的一系列著名實驗中,物理學家們證明,通過薄膜或晶體發射的電子也會以類似的方式運動,形成類似於光在衍射材料後面的牆壁上所形成的圖案。

光的雙縫幹涉

如果電子是簡單的粒子,一次只能佔據空間中的一點,它們就會在薄膜或晶體後面的牆上形成兩條帶,形狀與狹縫大致相同。但實際上,電子以複雜的方式撞擊了這堵牆,這表明電子自身發生了幹涉。這是波才具有的特徵;在一些地方,波的波峰重合,形成了較亮的區域,而在另一些地方,波谷重合,形成了較暗的區域。因為物理學家已經知道電子有質量,而且肯定是粒子,所以實驗表明,物質既是粒子又是波。

電子的雙縫幹涉

但與電子產生幹涉是一回事。用大分子來做要複雜得多。更大的分子不太容易探測到波,因為更大的物體有更短的波長,這可能導致幾乎察覺不到的幹涉圖樣。這些由2000個原子組成的粒子,其波長比單個氫原子的直徑還小,所以它們的幹涉圖樣就不那麼明顯了。

大分子的雙縫幹涉

為進行大分子的雙縫幹涉實驗,研究人員建立了一個機器,可以發射一束分子(這一笨重的分子名為「oligo-tetraphenylporphyrins enriched with fluoroalkylsulfanyl chains,」,質量是普通氫原子的25000倍)通過一系列的格柵和多個帶縫薄膜,分子束長約6.5英尺(2米)。科學家們在論文中寫道,這已經足夠大,以至於在設計分子束髮射器時,研究人員不得不考慮重力和地球自轉等因素。為了進行量子物理實驗,他們還得讓這些分子保持相當的溫度,因此他們必須考慮到粒子之間的熱碰撞。

但是,當研究人員打開機器時,光束遠端的探測器顯示出了幹涉圖樣。分子同時佔據了空間中的多個點。

研究人員寫道,這是一個令人興奮的結果,證明了以前從沒被實驗證實過的較大尺度上的量子幹涉。

「下一代的物質波實驗將把發生的物質粒子的質量推進一個數量級,」作者寫道。

因此,更大的量子幹涉演示即將到來,儘管更大的粒子束髮射器可能不會很快做到向幹涉儀發射你自己。(首先,機器裡的真空可能會要了你的命。)我們這些巨人只能坐在一個地方,看著粒子們盡情享受同時身處兩個地方的奇妙快感。

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