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在史无前例的量子实验中,2000个原子同时实现“量子叠加”
科学家们早就知道这几点事实在理论上是正确的:宇宙中的每个粒子或一组粒子也是一种波 - 甚至大粒子,甚至细菌,甚至是人类,甚至是行星和恒星。波可以同时占据空间的多个地方。因此任何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”,数十年来,物理学家已经使用小微粒证明了这一现象。
但是,近年来,物理学家扩大了他们的实验规模,用越来越大的粒子演示了量子叠加。现在,一个国际研究人员小组已使由2,000个原子组成的分子同时占据两个位置,即实现了量子叠加。
为了实现这一目标,研究人员建立了一个之前著名实验的复杂的现代版本,这个实验曾首先展示了量子叠加。
长期以来,研究人员就知道,光线穿过一块有两个缝隙的挡板时,会在挡板后面的墙壁上形成干涉图案或一系列明暗条纹。但是光被理解为无质量的波,而不是由粒子组成的东西,因此这并不奇怪。但是,在1920年代的一系列著名实验中,物理学家表明,通过薄膜或晶体发射的电子将以类似的方式起作用,在衍射材料后面的挡壁上形成像光一样的图案。
如果电子仅仅是粒子,并且一次只能占据一个空间,那么它们将在薄膜或晶体后面的挡壁上形成两条大致呈狭缝状的条纹。但是,相反,电子以复杂的方式撞击了那堵墙,表明电子已经产生了干涉。这是波的一个信号;在某些地方,波峰重合,形成了更明亮的区域;而在其他地方,波峰与波谷重合,因此两者相互抵消,形成了一个暗区。因为物理学家已经知道电子具有质量并且绝对是粒子,所以实验表明物质既充当单个粒子又充当波。
但是用电子产生干涉图是一回事。用大分子做这件事要复杂得多。较大的分子具有较不容易检测到的波,因为更大的物体具有较短的波长,可能导致几乎看不见的干涉图。而且,这些2,000原子的粒子的波长小于单个氢原子的直径,因此它们的干涉图谱不那么引人注目。
为了进行大型物体的双缝实验,研究人员制造了一台可以发射分子束(这些物体被称为“富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉”,重量是氢原子的25,000倍)的机器,可以穿过一系列带有多个狭缝的格栅和挡板。光束长约2米。科学家在论文中写道,光束足够大,以至于研究人员在设计光束发射器时必须考虑重力和地球自转等因素。在进行量子物理实验时,他们还使分子保持一定温度的状态,因此,他们不得不考虑加热以推动粒子运动。
当研究人员打开机器电源时,光束远端的检测器仍显示出干涉图样。分子一次占据空间中的多个点。
研究人员写道,这是一个令人兴奋的结果,证明了比以往任何时候都更大的量子干涉。
作者写道:“下一代物质波实验会将质量提高一个数量级。”
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