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量子世界,奇怪的、违背逻辑的现象比比皆是,比如一个物体可以同时以两种或两种以上的状态存在;再比如两个或多个在空间上分隔的物体,却有着相互关联的量子态……虽然这些奇怪的量子现象听起来虚无缥缈,但它们却都真实地存在。物理学家已经通过实验观测到了许多反直觉的量子效应,今天,我们就要列举其中的5种。

 

5个怪异的量子效应

量子齐诺效应

 

今天的第一个故事可以从薛定谔的猫开始说起。在这个著名的思想实验中,一只猫被困在一个装有放射性物质的密闭盒子中,如果物质衰变,产生的辐射就会触发探测器,释放出有毒的气体将猫杀死。在我们打开盒子测量结果之前,盒子中的猫同时处于两种状态:一种是衰变没有发生,猫仍活着;另一种是衰变已发生,猫已死亡。在打开盒子的那一瞬间,猫的生死状态就会坍塌成一种——要么活、要么死。

如果我们频繁地打开盒子检查猫的状态,猫的命运会因此发生改变吗?

简单来说,量子齐诺效应所描述的就是这样一种奇怪的量子现象,一个量子系统的演化可以通过频繁地重复测量而改变。以薛定谔的猫为例,如果我们频繁的打开盒子测量猫的状态,便能不断地重设原子的衰变时钟。根据观测方式的不同,原子的衰变可以被延迟或加速,从而猫的寿命得到延长或缩短;前者被称为量子齐诺效应,后者被称为量子反齐诺效应。换句话说,猫的性命取决于受哪种量子齐诺效应的影响。

5个怪异的量子效应

无论是量子齐诺效应还是量子反齐诺效应,这两种有违直觉的效应都已得到实验的证实。这种变化是由于测量引起的干扰,这意味着我们甚至可以在不打开盒子进行观测的情况下,只是轻轻地晃动盒子,就能达到这样的效果。

 

5个怪异的量子效应

中微子的身份转换

薛定谔的猫被用来解释量子物理的一个重要概念——叠加,简单地说,叠加指的是一个物体可以同时存在于两个或两个以上的状态,就如那个既死又活的盒子中的猫一样。当然,这种现象似乎不太可能在现实生活中看到,但在物理学家的实验室中,却真实地存在能同时拥有两种可能的自旋状态的电子。

在这一想法之上,物理学家证明了被称为幽灵粒子的中微子,能在行进的过程中同时处于两种或两种以上的状态。中微子是一种极其难以捉摸的基本粒子,它们几乎不与物质发生作用,在很长的一段时间内,科学家都认为这些微小的粒子是无质量的。

中微子有三种“”,分别是电子中微子、μ中微子τ中微子。上世纪90年代,物理学家发现它们可以在传播过程中,从一种“味”转变成另一种“味”,这种转变被称为中微子振荡,是量子力学的一个重要效应,因为这种转变之所以能发生,其前提是中微子必须具有质量。这是一个重大的认知突破,这一效应的发现者也被授予了诺贝尔物理学奖。

5个怪异的量子效应

现在我们知道,中微子在传播途中并没有明确的味,它们处于一种可同时拥有多种味的“身份危机”之中。

5个怪异的量子效应

洪-欧-曼德尔效应

量子力学中有许多与直觉相悖的效应,洪-欧-曼德尔(Hong-Ou-Mandel )效应也是其中之一,它描述的是当两个相同的光子在同时抵达一个分束器时所发生的现象。

在光学研究中,分束器是一种能将光一分为二的装置,入射的光束穿过分束器和被从分束器反射回来的概率都是50%;对于一个单光子而言,这意味着它有50%的机会出现在分束器的任何一边。

但是当两个光子同时到达分束器时,意想不到的事情发生了:两个光子总是成对地出现在分束器的同一侧,永远不会分别出现在分束器的两侧

为何会出现这种现象?如图中所示,当两个相同的光子从上下两侧进入分束器时,有四种可能的情况出现:

上侧的光子被反射,下侧的光子被传输;

上侧的光子被传输,下侧的光子也被传输;

上侧的光子被反射,下侧的光子也被反射;

上侧的光子被传输,下侧的光子被反射。

5个怪异的量子效应

由于这两个光子是相同的,因此我们无法分辨第2种情况和第3种情况之间的差别,使得最终只能观测到第1种和第4种情况,也就是前文所说的两个光子总是成对地出现在分束器的同一侧。

这一违反直觉的效应首次由曼德尔在1987年用激光证实。现在,这一实验已被重复多次,无论是可见光波段的光子还是微波波段的光子,都已被成功地用来证明这一效应。

 

5个怪异的量子效应

真空双折射

在光学中,偏振双折射是两个并不那么直观的概念。量子物理学告诉我们,一束光既是一束光子流,也同时是一种由振荡的电场和磁场构成的波。电场和磁场的振动方向相互垂直,且它们都与波的运动方向垂直。如果电场总在同一平面上振动,这个平面则被称为偏振面,而这种光则被称为是线性偏振的。

双折射指的是某些透明晶体所具有的一种特殊性质,当光束通过这些晶体时,其速度取决于光的偏振方向以及它相对于晶体结构轴的运动方向。这样的晶体可以将入射光分成两束,且它们以不同的速度向不同的方向传播。

然而,双折射却并不仅仅局限于晶体领域。在极端条件下,它可以成为真空本身的一种特性。2012年,天文学家在研究具有强磁性的中子星时,首次发现了“真空双折射”的证据,这是海森堡在20世纪30年代时就根据量子电动力学(QED)所预测的一种量子效应。当时的量子理论就认为,真空并不完全是为空的,而是充满了不断闪现和消失的虚拟粒子。

5个怪异的量子效应

一般来说,我们认为光线在穿过真空时是不会发生变化的,但是当光线穿过像中子星周围的那样的强磁场时,就会改变真空中的虚拟粒子的性质,从而改变光的偏振。

5个怪异的量子效应

量子温度

在经典世界中,我们认为热量的传递是平滑的,它从高温区域向邻近的低温区域流动,使一个物体均匀地受热或冷却。但是在量子物理学中,温度也可以表现出奇特的一面。研究发现,在只由一层单层的碳原子构成的石墨烯中,电子所携带的热量会以波的形式传播,这种特性会使石墨烯中一些部分仍然保持低温,而另一些部分则受热升温。

5个怪异的量子效应

更有趣的是,这些波的大小是可控的,因此科学家可以通过使用热显微镜,在量子尺度上观测到温度的变化。如果这种效应能被加以利用,那么它在计算、医学和环境监测等方面都将有所助益。

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