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妙招捕捉光子行踪

电子的位置你永远不知道

物理学中的量子力学认为,我们无法同时准确测量一个粒子的位置和动量。其实,想要一点不差地测量一个物体的任何一个性质,都是不可能的,不管这个物体是大还是小。

比如我们测量物体的质量,需要把它称一称,测量物体的温度,需要用温度计量一量,测量它的位置,即使不需要丈量,也需要看看它……物体的性质在测量的过程中,就会因测量而发生变化。测量水盆里的热水水温,需要把温度计放入水中,温度计是凉的,会吸收热水的热量而导致水温稍有降低,因此测出来的温度要比热水实际温度稍低一点点,即使低了这一点点,也不是热水的实际温度,只是我们不会在乎这一点差别,把测量结果作为实际水温,并不会有多大的影响。

可以说,任何对物体的测量,都会对物体的状态有所影响,即使只是看看它的形状或颜色,也需要光子从物体上反射回来,进入我们的眼睛,我们才能看到。光子是我们所知道的异常微小的粒子了,光子没有静止质量,即使这样,光子在物体上的反射也会对物体有极小的压力,或稍稍改变物体的温度等,只是这点影响,我们觉察不到,也就忽略不计了。

但是如果测量一个很小的粒子,例如电子,要想知道电子的位置,起码需要光子从电子上反射回来,我们或仪器才看得到。由于电子太小了,小小光子在其上面的弹跳就足以改变电子的位置。因此,实际测量的电子的位置与实际位置是有一定偏差的。

如果是用一个光子去测量,也许对电子的影响还不是很大,但是一个光子的信号,异常灵敏的仪器都不容易看到,要想增强信号,就需要多个或很多光子在电子上反射,这样一来,得到的信号增强了,我们能看清了,可同时,测量的结果与实际情况却有很大的偏差。

这有点儿像我们增大收音机音量的同时,声音增强了,噪音也加大了。这样综合起来考虑,测量仪器从增大的偏差噪音中寻找出有用信号的能力,与光子数的平方根成正比。这就是所谓的量子测量的极限。

蝴蝶效应降低量子极限

这个极限限制了微观粒子的测量精度,我们似乎很难在更精确地测量一个电子的位置了。

如今,竟然有科学家宣称,这个测量极限被打破了!这些科学家有什么好办法呢?

原来这些科学家竟然是从蝴蝶效应得到了启发。蝴蝶效应的意思是说,巴西一只蝴蝶拍拍翅膀,一周后,美国就会刮起一场飓风。从理论上讲就是,在一种特殊的系统中,初始的微小变化,会引起异常巨大的后果。例如天气变化就是这样一个特殊的系统:小蝴蝶拍拍翅膀,会在其身边产生微弱气流,而微弱气流的产生又会引起它四周空气产生相应的变化,由此引起连锁反应,蔓延开来,最终导致较远地方的空气出现极大的变化。

科学家猜想,如果测量粒子的光子们不是相互独立的,而是相互有联系的,那么前面光子与电子相遇后,状态的改变就会引起后面光子的状态也跟着改变,这样,虽然与电子相撞的光子较少,也能引起大量光子出现变化,从而信号照样很强,而测量的误差却没有跟着增大,这样岂不就大大提高了量子测量的精度和灵敏度?

要想让光子们相互有联系,可以通过量子纠缠的方式。当与电子相撞的光子发生变化时,那些没有与电子相撞、却与那个光子有量子纠缠的其它光子也跟着发生变化,从而产生了很强的信号。

如果测量原子等较大粒子的一些性质,还可以采用一种特殊的测量系统,例如采用的激光频率(光子的能量)正好是被测粒子结构改变(例如电子排列改变)所需的临界能量,这样,少量光子就可以导致粒子结构改变,而粒子结构的改变又导致光子出现非常明显的变化(例如能量变化),从而增强了信号,使得粒子的某个性质(例如位置)容易被测出来。

根据计算,通过以上方式,可以把粒子测量的能力提高到与光子数成正比。但是这个关系有适用范围,光子数超过一定量就不适用了,但就在这有限的范围内,我们也可以充分利用这个关系,大大提高量子测量的精度。

话说回来,量子测量的极限还是存在的,只是极限的门槛更低了。

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