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科学家实现前所未有的大尺度量子干涉

来源:环球科学
复杂的大分子分子像波一样在空间中传播开去。(图片来源:Yaakov Fein维也纳大学)
量子物理表示,大分子可以同时存在于两个地方。
基于一些事实,科学家们早就知道这在理论上的正确性:宇宙中的每个粒子或每群粒子都是一种波——哪怕是大分子、细菌、人类、行星和恒星。而波同时占据空间中的多个位置。所以任意一块物质也能同时占据两个位置。物理学家把这种现象称为“量子叠加”,数十年来,他们用小粒子演示这一现象。
但近几年,物理学家放大了实验尺度,用越来越大的分子演示量子叠加。最近,在一篇发表于《自然物理》的文章中,一队国际研究员使包含2000个原子的分子同时占据了两个位置。
为了实现这一点,研究人员设计了涵盖一系列首次证明量子叠加经典实验的复杂现代版实验。
研究员们早就知道把光子发射过带有双缝的薄片,就会有干涉条纹出现,或在薄片后面的墙上会有一系列的亮暗条纹。但光被理解为一种无质量的波,并不是某种由粒子组成的东西,所以这并不令人意外。但是,在二十世纪二十年代的一系列著名实验中,物理学家证明了把电子发射过胶片或晶体,也会给出相似的结果——像光一样在衍射材料后面的墙上形成图案。
如果电子只是粒子,它在某个时间点就只能占据一个空间位点,那么它们就会形成两条与双缝相似的条纹。但相反的,电子在墙上形成了复杂图案,也就是说它们能与自身干涉。这是电子是波的迹象;在有些点,波峰叠加形成亮条纹,在另一些点,波峰与波谷叠加,相互抵消,就形成了暗条纹。因为物理学家已经知道电子有质量,一定是粒子,所以这个实验证明了物质既能表现得像单个粒子又能表现得像波。
但用电子做出干涉条纹是一码事。用大分子做同样的事可要麻烦多了。越大的分子波象性就越弱,因为质量越大的物体波长就越短,导致其干涉条纹难以察觉。而这些含2000原子的粒子波长比一个氢原子直径还小,所以它们的干涉条纹相对特别不明显。
为了实现大物体的双缝实验,研究人员造了一台能够发射分子束(一种叫带氟烷基磺胺基链的低聚核苷酸-四苯基卟啉大分子,有些分子的质量能达到单个氢原子的25000倍)的机器,使这些粒子通过一系列带有多个缝的屏。粒子束大约有6.5英尺(2米)长。这个尺度大到足以让科学家在设计发射器时考虑像引力和地球自转这样的因素了,科学家们在论文中这样写道。他们把分子保持在一个对量子物理实验来说相对温暖的温度,所以他们还需要考虑粒子热运动的因素。
尽管如此,当研究员们打开机器时,粒子束另一边的探测器上还是显示出了干涉条纹。也就是说分子们同时在空间中占据了多个点。
这是个令人兴奋的结果,研究员们这样写道,它证明了历史上被探测到的最大尺度的量子干涉。
“下一代物质-波的实验会把质量推向一个新的高度”,作者们这样写道。
所以,更大的量子干涉演示实验就要来了,虽然短期内通过一个干涉仪把自己发射到另一个地方还不大可能。(首先,实验仪器的真空环境可能就会杀死你。)我们这些庞然大物就只能坐在一边看粒子们玩得有多开心了。
作者:Rafi Letzter
翻译:费哲妮
审校:潘燕婷
引进来源:科学美国人
引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/giant-molecules-exist-in-two-places-at-once-in-unprecedented-quantum-experiment/
本文来自:环球科学
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