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五种怪异量子效应:量子齐诺效应和真空双折射

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疯疯颠颠 发表于 2018-4-1 10:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

五种怪异量子效应:量子齐诺效应和真空双折射





  2018年03月29日 08:09 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间3月29日消息,据国外媒体报道,目前,澳大利亚研究员劳伦·福格(Lauren Fuge)指出,除了著名的“薛定谔的猫(Schrodinger’s cat)”和海森堡的“不确定原理(uncertainty principle)”之外,量子效应还存在许多怪异现象。

  你可能听过“薛定谔的猫”和海森堡的“不确定原理”,甚至量子纠缠(quantum entanglement),这些量子现象试图以极小比例解释世界,自从量子效应被发现,在一个世纪里这些神奇效应已是众所周知。

  但事实上量子效应仅是原子和亚原子微粒怪异和违反直觉的开始,许多奇特的量子效应仍然令科学家迷惑不解,以下是五种最怪异的量子效应:

  

  1、量子齐诺效应(quantum Zeno effect)

  让我们先从经典的“薛定谔的猫”理论开始吧,在这个著名的思维实验中,一只猫被困在装有放射性物质的盒子里,如果放射性物质进行衰变,辐射会触发一个释放毒气的探测器,这只猫会被杀死。

  但我们检测盒子内部状况,发现盒子内部会同时存在两种状态:一种状态是猫没有腐烂,仍是活着的;另一种状态是猫已腐烂,它已死去。此刻我们决定观察一下盒子里面的情况,证实这只猫是死了,还是又活过了一天。

  但是你每秒数千次窥视这个盒子,监测盒子中的放射物质,你可能改变这一变化过程。根据你所观测的方式,结果可能是延迟放射性衰变(被称为量子齐诺效应)或者加速放射性衰变(被称为量子反齐诺效应)。据悉,齐诺效应的命名源自古希腊哲学家齐诺的名字,这位哲学家曾提出一系列逻辑悖论,其中最著名的包括:关于龟兔赛跑的“阿基里斯谬论(Achilles)”,证实擅跑英雄阿基里斯追上乌龟是不可能的,因为任何距离都可切割成无数小的距离,乌龟会制造出无穷个起点,它总能在起点与自己之间制造出一个距离,不管这个距离有多小,但只要乌龟不停地奋力向前爬,阿基里斯就永远也追不上乌龟!

  齐诺效应引起的变化是由于测量引起的干扰,甚至人们只需晃动盒子,而不是朝向盒子里观看,就完全足够了。

  

  2、中微子缺少“身份识别”

  “薛定谔的猫”是量子物理中较奇特的构想例子之一,证实叠加理论的存在。这一基础理论认为,物体能同时以两种或者更多状态存在,即一只存活或者死亡的猫并非你现实情况下所看到的,物理学家在实验室经常使电子同时顺时针和逆时针旋转。

  基于以上观点,科学家表明神秘微粒——中微子,在穿行数百公里的范围内可保持两种或者更多的状态,中微子是一种亚原子粒子,它与物质几乎没有相互作用(每秒大约有10万亿个中微子穿过你的手)。同时,它们在穿越空间时,会在不同“味(用以区分不同类型的夸克和不同种类的粒子)”和类型之间快速振荡,中微子会以一种“味”开始,并以另一种“味”到达目的地。

  但是这种转换并不简单,研究表明,在穿行过程中,中微子并没有明确的“味”,它们仍然处于一种“身份认同危机(identity crisis)”状态,同时存在多种“味”。

  

  3、Hong-Ou-Mandel效应

  量子光学是涉及光的一个研究领域,它与物质之间的相互作用是最小的。Hong-Ou-Mandel效应描述了两种光子在分束器(beam splitter)进行交互的奇特方式,它们可以反弹或者穿过,每种方式都有50%的可能性。

  如果两种相同光子从两侧进入分束器,会出现四种可能性:上方光子被反射;下方光子被传输;上方和下方光子都被传输;上方和下方光子都被反射。

  这里存在一些奇特现象,由于光子性质相同,我们无法区分第二种和第三种可能性之间的差别,同时,相同性质的光子可能彼此抵消。最终,你可能最终仅看到第一种和第四种可能性:两个光子总是位于分束器相同一侧的末端。

  

  4、“真空双折射”

  有时我们必须在宏观尺度上观测宇宙,从而获得微观等级的认知。近期,天文学家正在研制一种非常致密、具有强磁性的中子星,从中发现“真空双折射(vacuum birefringence)”量子效应的第一证据。

  据悉,“真空双折射”假设理论首次是上世纪30年代提出的,当时量子理论预测真空并非完全是“空的”,相反,真空还充满闪烁存在和消失的大量虚拟粒子。

  正常情况下,我们预测光线穿过真空是不会发生变化的,但是光线证实了极端磁场,就像中子星周围的磁场一样,能够改变真空中这些虚拟粒子的性质,并影响穿过光线的极化状态。当光线抵达地面上的望远镜时,我们可以观察到宏观等级的量子效应。

  

  5、温度量子

  想像一下,你将烤箱内温度调高,然后放入一个蛋糕进行烘烤,由于烤箱部分位置仍处于室温条件,之后会发现蛋糕上有一些部分未烤熟。

  我们通常认为,热量非常平滑地从热点区域流至邻近低温区域,使一个房屋加热,或者物体均匀受热。在量子物理学中,情况却并非如此。研究发现石墨烯具有独特的温度特征,石墨烯是一种由单层碳原子构成的特殊材料,电子携带热量以波纹形式传播,这些波纹意味着石墨烯中一些斑点仍保持低温,而其它位置被加热升温。

  令人兴奋的是,波纹大小可以被控制,因此可以使用热量显微镜进行观察,有助于科学家在量子等级观察温度变化。如果我们能够利用这种效应,很可能将其应用在计算、医学和环境监测等方面。(叶倾城)

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