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量子实验研究首次证明:巨型分子可同时存在于两个地方

2019.10.11

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这项新研究证明了一种前所未见的奇异量子效应。

多亏了量子物理学,大分子可以同时出现在两个地方。

这是科学家们早就知道理论上可能的事情,这基于一个事实:宇宙中的每个粒子或粒子群同时也是波——甚至大粒子、细菌、人类、行星和恒星也有可能(后者尚未实锤证实)。而波在空间中同时占据多个位置。所以任何一个物质也可以同时占据两个位置。物理学家称这种现象为量子叠加”,几十年来,他们已经用小粒子证明了这一点。

但近年来,物理学家们扩大了实验规模,用越来越大的粒子来演示量子叠加。现在,在9月23日发表在《自然物理》杂志上的一篇论文中,一个国际研究小组已经让由多达2000个原子组成的分子同时占据了两个位置。

为了实现这一目标,研究人员在一系列著名古老实验的基础上,建立了一个复杂的现代化版本,首次证明了量子叠加。

从高中物理中我们知道,当光穿过有两个狭缝的薄片时,会在薄片后面的墙上形成干涉图样,或一些明暗条纹。但是光曾被认为是无质量的波,而不是由粒子构成的,所以这个现象并不奇怪。然而,在20世纪20年代的一系列著名实验中,物理学家们证明,通过薄膜或晶体发射的电子会以类似的方式运动,形成类似于光在衍射材料后面的墙壁上所形成的图案。

如果电子是简单的粒子,一次只能占据空间中的一点,那么它们就会在薄膜或晶体后面的墙上形成两条带,形状与狭缝大致相同。但实际上,电子以复杂的方式撞击了这堵墙,这表明电子自身发生了干扰。这是波浪的信号;在一些地方,波的波峰重合,形成了较亮的区域,而在另一些地方,波峰与波谷重合,形成了较暗的区域。因为物理学家已经知道电子有质量,而且肯定是粒子,所以实验表明,电子既是粒子又是波

但用电子产生干涉图样是一回事,用大分子则是另一回事,并且要复杂得多更大的分子不太容易探测到波,因为更大的物体波长则更短,这可能导致几乎察觉不到干涉模式。这些由2000个原子组成的粒子,其波长比单个氢原子的直径还小,所以它们的干涉图样就不那么引人注目了。

为完成对大分子物理的双缝干涉实验中,研究人员建立了一个机器,通过一系列带有多个狭缝的格栅和薄板发射一束分子(体积庞大的“富含氟烷基磺酰链的低聚四苯基卟啉”,其质量是单个氢原子的2.5万倍以上)。科学家们在论文中写道,这已经足够大,以至于在设计光束发射器时,研究人员不得不考虑重力和地球自转等因素。为了进行量子物理实验,他们还让这些分子保持合适的温度,因为必须考虑到粒子之间的热碰撞。

但是,当研究人员打开机器时,光束远端的探测器显示出了干涉图样。分子同时占据了空间中的多个点

研究人员写道,这是一个令人兴奋的结果,此次探测到的量子干涉在一个比以往都大的尺度上。

作者写道,“这一次的实验把量子干涉的质量规模推进了一个数量级”。

因此,更大的量子干涉演示即将到来,尽管它可能不会很快通过干涉仪发射你自己(首先,机器里的真空就可能会要了你的命)。我们这些巨人只能坐在一旁,看着子们尽情享受。

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