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令科學(xué)家迷惑不解的量子效應(yīng) 有五種最怪異,!

 全性保真 2018-03-29

目前,,澳大利亞研究員勞倫·福格(Lauren Fuge)指出,除了著名的“薛定諤的貓(Schrodinger’s cat)”和海森堡的“不確定原理(uncertainty principle)”之外,,量子效應(yīng)還存在許多怪異現(xiàn)象,。

你可能聽過“薛定諤的貓”和海森堡的“不確定原理”,甚至量子糾纏(quantum entanglement),,這些量子現(xiàn)象試圖以極小比例解釋世界,,自從量子效應(yīng)被發(fā)現(xiàn),在一個(gè)世紀(jì)里這些神奇效應(yīng)已是眾所周知,。

但事實(shí)上量子效應(yīng)僅是原子和亞原子微粒怪異和違反直覺的開始,,許多奇特的量子效應(yīng)仍然令科學(xué)家迷惑不解,以下是五種最怪異的量子效應(yīng):

令科學(xué)家迷惑不解的量子效應(yīng) 有五種最怪異,!

量子齊諾效應(yīng)(quantum Zeno effect)

讓我們先從經(jīng)典的“薛定諤的貓”理論開始吧,,在這個(gè)著名的思維實(shí)驗(yàn)中,一只貓被困在裝有放射性物質(zhì)的盒子里,如果放射性物質(zhì)進(jìn)行衰變,,輻射會(huì)觸發(fā)一個(gè)釋放毒氣的探測器,,這只貓會(huì)被殺死。

但我們檢測盒子內(nèi)部狀況,,發(fā)現(xiàn)盒子內(nèi)部會(huì)同時(shí)存在兩種狀態(tài):一種狀態(tài)是貓沒有腐爛,,仍是活著的;另一種狀態(tài)是貓已腐爛,,它已死去,。此刻我們決定觀察一下盒子里面的情況,證實(shí)這只貓是死了,,還是又活過了一天,。

但是你每秒數(shù)千次窺視這個(gè)盒子,監(jiān)測盒子中的放射物質(zhì),,你可能改變這一變化過程,。根據(jù)你所觀測的方式,結(jié)果可能是延遲放射性衰變(被稱為量子齊諾效應(yīng))或者加速放射性衰變(被稱為量子反齊諾效應(yīng)),。據(jù)悉,,齊諾效應(yīng)的命名源自古希臘哲學(xué)家齊諾的名字,這位哲學(xué)家曾提出一系列邏輯悖論,,其中最著名的包括:關(guān)于龜兔賽跑的“阿基里斯謬論(Achilles)”,,證實(shí)擅跑英雄阿基里斯追上烏龜是不可能的,因?yàn)槿魏尉嚯x都可切割成無數(shù)小的距離,,烏龜會(huì)制造出無窮個(gè)起點(diǎn),,它總能在起點(diǎn)與自己之間制造出一個(gè)距離,不管這個(gè)距離有多小,,但只要烏龜不停地奮力向前爬,,阿基里斯就永遠(yuǎn)也追不上烏龜!

齊諾效應(yīng)引起的變化是由于測量引起的干擾,,甚至人們只需晃動(dòng)盒子,而不是朝向盒子里觀看,,就完全足夠了,。

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中微子缺少“身份識(shí)別”

“薛定諤的貓”是量子物理中較奇特的構(gòu)想例子之一,,證實(shí)疊加理論的存在,。這一基礎(chǔ)理論認(rèn)為,物體能同時(shí)以兩種或者更多狀態(tài)存在,,即一只存活或者死亡的貓并非你現(xiàn)實(shí)情況下所看到的,,物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使電子同時(shí)順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

基于以上觀點(diǎn),科學(xué)家表明神秘微?!形⒆?,在穿行數(shù)百公里的范圍內(nèi)可保持兩種或者更多的狀態(tài),中微子是一種亞原子粒子,,它與物質(zhì)幾乎沒有相互作用(每秒大約有10萬億個(gè)中微子穿過你的手),。同時(shí),它們在穿越空間時(shí),,會(huì)在不同“味(用以區(qū)分不同類型的夸克和不同種類的粒子)”和類型之間快速振蕩,,中微子會(huì)以一種“味”開始,并以另一種“味”到達(dá)目的地,。

但是這種轉(zhuǎn)換并不簡單,,研究表明,在穿行過程中,,中微子并沒有明確的“味”,,它們?nèi)匀惶幱谝环N“身份認(rèn)同危機(jī)(identity crisis)”狀態(tài),同時(shí)存在多種“味”,。

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Hong-Ou-Mandel效應(yīng)

量子光學(xué)是涉及光的一個(gè)研究領(lǐng)域,它與物質(zhì)之間的相互作用是最小的,。Hong-Ou-Mandel效應(yīng)描述了兩種光子在分束器(beam splitter)進(jìn)行交互的奇特方式,,它們可以反彈或者穿過,每種方式都有50%的可能性,。

如果兩種相同光子從兩側(cè)進(jìn)入分束器,,會(huì)出現(xiàn)四種可能性:上方光子被反射;下方光子被傳輸,;上方和下方光子都被傳輸,;上方和下方光子都被反射。

這里存在一些奇特現(xiàn)象,,由于光子性質(zhì)相同,,我們無法區(qū)分第二種和第三種可能性之間的差別,同時(shí),,相同性質(zhì)的光子可能彼此抵消,。最終,你可能最終僅看到第一種和第四種可能性:兩個(gè)光子總是位于分束器相同一側(cè)的末端,。

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“真空雙折射”

有時(shí)我們必須在宏觀尺度上觀測宇宙,從而獲得微觀等級(jí)的認(rèn)知,。近期,,天文學(xué)家正在研制一種非常致密、具有強(qiáng)磁性的中子星,從中發(fā)現(xiàn)“真空雙折射(vacuum birefringence)”量子效應(yīng)的第一證據(jù),。

據(jù)悉,,“真空雙折射”假設(shè)理論首次是上世紀(jì)30年代提出的,當(dāng)時(shí)量子理論預(yù)測真空并非完全是“空的”,,相反,,真空還充滿閃爍存在和消失的大量虛擬粒子。

正常情況下,,我們預(yù)測光線穿過真空是不會(huì)發(fā)生變化的,,但是光線證實(shí)了極端磁場,就像中子星周圍的磁場一樣,,能夠改變真空中這些虛擬粒子的性質(zhì),,并影響穿過光線的極化狀態(tài)。當(dāng)光線抵達(dá)地面上的望遠(yuǎn)鏡時(shí),,我們可以觀察到宏觀等級(jí)的量子效應(yīng),。

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溫度量子

想像一下,,你將烤箱內(nèi)溫度調(diào)高,,然后放入一個(gè)蛋糕進(jìn)行烘烤,由于烤箱部分位置仍處于室溫條件,,之后會(huì)發(fā)現(xiàn)蛋糕上有一些部分未烤熟,。

我們通常認(rèn)為,熱量非常平滑地從熱點(diǎn)區(qū)域流至鄰近低溫區(qū)域,,使一個(gè)房屋加熱,,或者物體均勻受熱。在量子物理學(xué)中,,情況卻并非如此,。研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具有獨(dú)特的溫度特征,石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的特殊材料,,電子攜帶熱量以波紋形式傳播,,這些波紋意味著石墨烯中一些斑點(diǎn)仍保持低溫,而其它位置被加熱升溫,。

令人興奮的是,,波紋大小可以被控制,因此可以使用熱量顯微鏡進(jìn)行觀察,,有助于科學(xué)家在量子等級(jí)觀察溫度變化。如果我們能夠利用這種效應(yīng),,很可能將其應(yīng)用在計(jì)算,、醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等方面。

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