量子物理学家认为客观现实可能根本不存在

2022年07月04日 16:50 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据《大众机械》报道,现实是否存在,或者当观察者测量它时它会形成?这就像一个古老的难题,如果一棵树倒在森林里,周围没有人听到,它是否会发出声音,上述问题仍然是量子力学领域最诱人的问题之一,这是科学的分支亚原子粒子在微观层面的行为。

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在一个像“量子叠加”这样有趣的、几乎神秘的现象盛行的领域——一个粒子可以同时在两个甚至“所有”可能的地方的情况——一些专家说现实存在于你自己的意识之外,并且有你无法改变它。其他人坚持认为“量子现实”可能是某种形式的“培乐多彩泥(Play-Doh)”,你可以用自己的行动塑造成不同的形状。现在,来自巴西圣保罗大都市区的 ABC 联邦大学 (UFABC) 的科学家们正在为现实可能“在观察者眼中”的说法增添动力。

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在他们于 4 月发表在《通信物理学》杂志上的新研究中,巴西科学家们试图验证丹麦著名物理学家尼尔斯·玻尔在 1928 年提出的互补性原理(complementarity principle)。它指出,物体具有某些互补特性,它们是不可能同时观察或测量,例如能量和持续时间,或位置和动量。例如,无论你如何建立一个涉及一对电子的实验,你都无法同时研究这两个量的位置:测试将说明第一个电子的位置,但同时掩盖了第二个粒子(互补粒子)的位置。

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要了解这种互补性原理如何与客观现实相关,我们需要回到大约一个世纪前的历史。1927 年,在第五届索尔维会议(物理学和化学领域最重要的年度国际会议)期间,玻尔和著名的德国出生的理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在布鲁塞尔进行了一场传奇的辩论。

在其他 77 位才华横溢的科学家们齐聚奥地利首都讨论量子理论的新兴领域之前,爱因斯坦坚持认为,量子态有自己的现实,独立于科学家如何对它们采取行动。与此同时,玻尔捍卫了这样一种观点,即只有在科学家建立实验设计之后,量子系统才能定义自己的现实。

“上帝不会掷骰子,”爱因斯坦说。

“一个系统根据环境表现为波或粒子,但你无法预测它会做什么,”波尔指出,波粒二象性的概念说,物质可能在某一时刻表现为波,并在另一个时刻以粒子的形式出现,这是法国物理学家路易斯·德布罗意于 1924 年首次提出的想法。

1927 年索尔维会议结束后不久,玻尔就公开阐明了他的互补性原理。在接下来的几十年里,有争议的玻尔概念被多次测试。美国理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒是对互补性原理进行实验的人之一。

惠勒在 1978 年试图将托马斯·杨 1801 年的双缝实验重新想象成光的特性。双缝实验包括用两条平行狭缝将光照射在墙上。当光通过每个狭缝时,在分隔器的另一侧,它会衍射并与来自另一个狭缝的光重叠,从而相互干扰。这意味着不再有直线:实验结束时出现的图形图案是干涉图案,这意味着光在波浪中移动。本质上,光既有粒子性又有波动性,这两种性质是密不可分的。

在光线已经穿过大部分机器后,惠勒让他的设备在“波浪测量仪”和“粒子测量仪”之间切换。换句话说,他在光已经作为波还是粒子传播之间做出了延迟选择,发现即使延迟选择后,也没有违反互补性原理。

然而,最近一些试图将量子叠加原理应用于延迟选择实验的调查发现这两种可能性并存(就像湖面上的两个波可以重叠一样)。这表明在同一装置内具有混合的波状和粒子状行为,与互补性原理相矛盾。

量子控制的现实

巴西的科学家们决定还设计一个量子控制的现实实验。

“我们使用了类似于医学成像中使用的核磁共振技术,”领导该实验的 UFABC 量子信息科学和技术研究员Roberto M. Serra告诉《大众机械》。质子、中子和电子等粒子都具有核自旋,这是一种类似于罗盘中指针方向的磁性。“我们使用一种电磁辐射来操纵分子中不同原子的这些核自旋。在这个设置中,我们为质子核自旋创建了一种新的干涉装置,以研究其在量子领域的波和粒子现实,”Serra 解释说。

“这种新的安排产生了与之前的量子延迟选择实验完全相同的观察统计数据,” Pedro Ruas Dieguez现在是波兰国际量子技术理论中心 (ICTQT) 的博士后研究员,他是该研究的一部分,告诉《大众机械》。“然而,在新的配置中,我们能够将实验结果与波和粒子的行为方式联系起来,从而验证了玻尔的互补性原理,”Dieguez 继续说道。

2022 年 4 月研究的主要内容是,量子世界中的物理现实是由相互排斥的实体组成的,尽管如此,它们并不矛盾,而是相互补充。

专家说,这是一个令人着迷的结果。“巴西研究人员设计了一个数学框架和相应的实验配置,可以测试量子理论,特别是通过研究系统的物理现实性来理解互补性的本质,”福特汉姆大学物理学副教授Stephen Holler告诉《大众机械》。

这项研究突出了标志性的美国量子物理学家和诺贝尔奖获得者理查德·费曼的长期格言:“如果你认为你了解量子力学,那么你就不会了解量子力学。”Holler说。“关于该理论还有很多需要学习的地方,研究人员继续在理解基本原理方面取得进展,这在我们进入量子设备和计算开始激增的时代时尤其重要。”

Dieguez表示:“根据具体情况,物质粒子可能表现得像波,而光表现得像粒子,这一事实仍然是量子物理学中最有趣、最美丽的谜团之一。”

矛盾的是,量子力学的这种固有的“怪异”可以证明是非常有用的。Serra说:“我们越是解开量子力学,我们就越能提供颠覆性的量子技术,超越它们的经典对应物、量子计算机、量子密码学、量子传感器和量子热包括设备。”

两位研究人员都同意,观察者眼中的现实可能是量子领域物理现实的一个非常特殊的方面,而且这个谜团本身并没有减弱的迹象。


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