我们带着巨人般的自信大步穿越宇宙,很少考虑现实充满不确定性的事实。
但物理学家刚刚通过成功地将毫米大小的鼓与大原子云纠缠在一起,尖锐地提醒我们,即使我们的宏观世界也受到量子物理定律的约束。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的研究人员使用 13 纳米厚、毫米长的氮化硅膜(或鼓)进行了实验,该膜在受到光子撞击时会发出轻微的嗡嗡声。
这些光子或光粒子是由十亿个铯原子组成的薄雾在一个小而冷的细胞内旋转而产生的。
尽管是两个截然不同的物体,毫米长的鼓和原子雾代表了一个纠缠的系统——它们突破了量子力学的极限。
“物体越大,它们之间的距离越远,它们越不同,就越有趣从基础和应用的角度来看,”说高级研究员尤金·波尔齐克。
“有了新的结果,非常不同的物体之间的纠缠已经成为可能”。
纠缠是比直觉更神秘的概念之一,它描述了独立于时间和空间而存在的物体之间的联系。
无论相距多远,或者过去了多少年,纠缠系统的某一部分的变化都会促使其余部分立即进行调整。
爱因斯坦不止一次将这个概念称为“幽灵般的远距离作用”,他认为这更多地与我们知识的匮乏有关,而不是任何真正奇怪的事情。
一个世纪过去了,我们对量子物理学的理解不仅为这种令人毛骨悚然的现象留下了足够的空间,而且正在形成令人惊叹的新创新领域的基础,从超强加密到新的雷达种类。
“量子力学就像一把双刃剑,”说尼尔斯·玻尔研究所的量子物理学家 Michał Parniak。
“它为我们提供了精彩的新技术,但也限制了测量的精度,从经典的角度来看,这似乎很容易。”
孤立地看,单个粒子的属性是由波的兴衰所代表的一团令人焦虑的混乱。它同时向各个方向移动。同时向两个方向旋转。这就是一切,又什么都不是。
当粒子与其他物体相互作用时,它的不确定性不会立即消失,但是以复杂的方式结合起来,我们可以进行数学建模。
正是这些非常可预测的计算构成了。然而,这种技术依赖于少量相对相同的粒子的旋转。
这就是为什么这一最新突破如此重要——在从原子云中飘出的光子微风中摇晃的可见鼓对于物理学家来说是完全不同的游戏。
能够在更大范围内观察涉及多种材料的纠缠,就像研究一种可应用于量子对话的语言一样。
这对于“监听”需要极其高精度的工具非常有用。了解它们的量子概率如何组合是了解如何从看似混乱的事物中筛选出意义的关键一步。
以构成激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 的巨大阵列或激光器为例。虽然巨大,但该设备的核心以如此精确的方式排列光波,以至于发出嗡嗡声真空中的不确定性冒着把事情弄得一团糟的风险。
从理论上讲,像 LIGO 镜子这样的纠缠宏观系统可以让研究人员更好地解释一定程度的量子不确定性。
相比之下,一毫米宽的鼓无疑只是一小步。但对于我们这样的巨人来说,这是一个重要的机会,可以仔细聆听现实在我们脚下的摇动。
这项研究发表于自然。