@ 2019.10.09 , 11:00
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2000个原子构成的大分子仍然具备量子性

几乎每个现代人都听说过薛定谔的猫吧:物理学家薛定谔巧妙设计的思想实验,用来揭示量子力学的叠加态在宏观层面上引发的悖论。

好吧,因为不能把真猫置于如此险恶的境地,所以科学家们设法用2000个原子组成的巨大分子来代替。

量子叠加态,已经被无数的经典实验所验证——物理客体可以同时存在于两个不同位置,但是实验对象都是尺度极小的微观粒子。

新实验的目的是完善量子力学理论,更多地了解这一特别烧脑的物理学分支实际上是如何工作的,以及量子力学定律如何在宏观世界里表现出一致性。

研究人员在论文中指出:“我们的结果显示出与量子理论的极佳一致性,无法用经典的方式进行解释。”尤其是,这项新研究涉及薛定谔Schrödinger方程(是的,还是他),该方程甚至指出,同时存在于多个位置的单一粒子化成的物质波,会像池塘上的涟漪一样相互干扰。

为了测试这一点,科学家们设计了一个双缝实验——量子物理学家非常熟悉的实验。

传统上,我们令单个粒子通过两条缝隙。如果用光子进行实验,则接收屏上应该出现一个光带。但实际上,投射在屏幕上的是干涉图案——表明光粒子也可以以波的形式传播。就像薛定谔的猫一样,光子似乎同时位于两个位置。但是,正如我们大多数人都知道的那样,在未被观察到之前,猫处于两种状态;盒子打开后,猫要么死,要么活,而不是继续维持叠加态。

光子也一样。一旦直接测量或观察到光子,叠加态就会消失,光子的状态坍塌。这是量子力学核心问题之一。我们又利用电子,原子和较小分子进行了相同的双缝实验。现在,物理学家证明,量子力学也适用于大分子。

在双缝实验中,由多达2000个原子组成的分子制造出了量子干涉条纹。这些分子名为“富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉”,其中一些分子的质量是氢原子的25000倍以上。

但是随着质量变大,它们的稳定性会降低,科学家只能使用一种新发明的被称为物质波干涉仪(旨在沿不同路径测量原子的设备)在7毫秒内完成实验。甚至还必须考虑诸如地球自转和引力之类的因素。尽管如此,努力终有回报——我们现在知道量子力学同样适用于大分子。

传统上,量子力学只适用于微观对象,而经典物理学则适用于宏观物体,因此在双缝实验中可以使用的分子越大,我们越接近该量子与经典的边界线。此类研究先前的记录最大是800个原子构成的分子。

奥地利维也纳大学的物理学家Yaakov Fein说:“我们的实验表明,量子力学及其所有奇特的特性非常强大。我对未来在更大尺度内进行的实验感到乐观。”

论文已发表在《自然·物理学》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 秋水闲闲
    @1 week ago
    4366327

    知道了

  2. 4366329

    这下好了,新的问题出来了
    “多大”的粒子才不会表现出量子态

  3. qllaoda
    @1 week ago
    4366332

    我记得以前看到过一篇文章,说是在病毒上也发现了波动现象

  4. 4366337

    也许生物大脑真的是量子态运作的

  5. qllaoda
    @1 week ago
    4366342

    其实按量子学理论,无论多大的物体都遵循量子学定律的,只是宏观物体的量子现象很难观测到而已。所以这个标题明显是行外人写的。

  6. Thewalker
    @1 week ago
    4366343

    @lan: 拔到第几根头发才算秃头……话说现在宏观和微观方程统一了吗?

  7. 空虚寂寞冷
    @1 week ago
    4366347

    富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉

  8. punkzhang
    @1 week ago
    4366351

    宏观和微观的界限(如果有的话)其实至今没有明确

  9. 路过的人
    @1 week ago
    4366353

    看不懂这是正紧科研还是假科研

  10. 鸡儿要放假
    @1 week ago
    4366366

    宏观物体一样有波动,但根据徳布罗意波波长计算公式λ=h/p可知宏观物体波长一般都会很短,根本观测不到。

  11. 脱氧核硅酸
    @1 week ago
    4366370

    感觉这个问题就像是:往一小堆米里一粒一粒加米,什么时候是一大堆米?

  12. 4366373

    剑圣阿伏伽德罗与大魔导士玻尔兹曼一同守护宏微观之境
    自此宏微观现象大体泾渭分明, 只余寥寥数种宏观量子现象还未及征讨

    贤者图灵的加护将大脑真实算力保持在经典机范围内

  13. 东岳整人
    @1 week ago
    4366391

    德布罗意波≠量子力学

  14. 4366475

    太阳系内的黑洞会诞生在北欧么。

  15. 哦休斯顿这玩意儿在冒烟啊
    @1 week ago
    4366527

    所以更直接的问题就是,多大的物质才会不再保持量子特性?如果找到了一个微观上限是不是意味着我们可以通过量子特性传输电信号来达到瞬时传输,如果没有上限,是不是意味着在某个地方有一个阳太系,那里的天球人也在研究量子?

  16. 很热的中年
    @1 week ago
    4366618

    為了檢測物質波,必須把兩億個我,打向一條緊仄的縫……

  17. 4366628

    https://www.nature.com/articles/s41567-019-0663-9
    能不能好好搞翻译。。。
    the heaviest objects shown to exhibit matter-wave interference to date

  18. 4366630

    “the heaviest objects shown to exhibit matter-wave interference to date”

  19. 4366708

    “什么时候不表现出量子性”的说法其实是有问题的,因为所有物质,无论宏观和微观,都符合量子力学,只不过宏观时量子力学算出来的结果和经典牛顿力学的结果看不出差别而已,比如其实人这么大的物体也是同时存在于无数位置的,但在不同位置的概率不同且差别巨大,在某些位置的概率之和大到接近百分之百,并且这些位置集中分布于小于一个原子的区域内,其他整个宇宙内所有位置的概率加起来则比你买彩票连续100次抽中百万大奖的概率还低,所以我们大可以说,这个人就是在一个确定的位置的,但准确说来其实是在一个小于原子大小的范围内随机存在的。
    所以,反过来表述:“什么时候表现出经典性”,可能更好点。因为经典力学只是量子力学的一个近似,只在宏观时才成立,两者成立的范围不是并列关系,而是包含关系。
    (这里我们假定量子力学是正确的,因为目前为止没有可靠的实验能证伪量子力学,反倒有越来越多实验数据支持量子力学。)

  20. 好运3D技巧
    @1 week ago
    4366740

    总有一天,我们可以瞬间移动,可以穿越物质屏障。

  21. 4367105

    把人往缝了扔看看、

  22. alpha_boy
    @7 days ago
    4367475

    想起来一个说法,一个人努力去撞墙,连撞几亿亿亿……次,理论上会有一次穿墙而过(只是理论上)……

  23. 4368505

    遇事不决