量子世界处处挑战常识。我们的现代人脑经过数十万年的生物进化塑造，难以理解我们熟悉的自然环境之外的事物。理解捕食者在草地上追逐猎物很容易；理解亚原子尺度上发生的大多数事情可能需要多年的深入学术研究和大量的复杂数学。因此，毫不奇怪，物理学家每年都会从现实的深层基础中，在我们感知的前沿之外，带来令人难以置信的新想法和发现。在此，《大众科学》重点介绍 2022 年我们最喜欢的一些发现。
宇宙有点，算是虚幻的
今年的诺贝尔物理学奖 授予了花费数十年时间证明宇宙并非局部实在的研究人员——引用幽默作家道格拉斯·亚当斯的话来说，这是一项“惹恼了很多人并被广泛认为是一个糟糕举动”的壮举。“局部”在这里意味着任何物体——例如苹果——只能受其直接环境的影响，而不能受宇宙另一端发生的事情的影响。“实在”意味着每个物体都具有确定的属性，而与如何观察它无关——再怎么眯着眼睛也不会将苹果从红色变成绿色。然而，对纠缠粒子进行仔细的、重复的实验已经最终表明，这些看似合理的限制并非总是适用于量子领域，即我们可以测量的最基本的现实层面。如果您不确定局部实在的消亡对生命、宇宙以及万物究竟意味着什么，请不要担心：您并不孤单——物理学家也感到困惑。
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激光创造时间晶体和通往更高维度的门户
尽管看起来像是一部邪典科幻电影的情节元素，但今年早些时候发表的两篇不相关的论文描述了并非完全虚构的在量子前沿利用光的方法。在一项研究中，研究人员报告了首次构建基于激光的时间晶体，这是一种在时间而非空间中表现出晶体状周期性结构的量子系统。在另一项研究中，一个团队详细介绍了精确的激光脉冲模式如何诱使离子串表现得像一种前所未有的占据两个时间维度的物质状态。前一项研究可能促成廉价、坚固的微芯片，用于在实验室外制造时间晶体。后一项研究提出了一种提高量子计算机性能的方法。然而，对于我们大多数人来说，这些研究可能最有用的是在鸡尾酒会上听起来很聪明。
量子心灵感应征服了不可战胜的游戏
梅尔明-佩雷斯魔方 (MPMS) 游戏是一种只能通过不玩来赢得的竞赛。这种糟糕的数独亲戚游戏涉及两名参与者轮流在三乘三的网格中添加 +1 或 –1 的值，以协作实现获胜条件。尽管玩家必须协调他们的行动才能成功，但他们不允许沟通。即使每个人都正确猜测了对方的动作，这对玩家仍然只能在游戏的九轮中赢得八轮——除非，也就是说，他们玩量子版本。如果使用量子比特（可以在 +1 和 –1 之间交换值）填充每个单元格，那么理论上，两名玩家可以通过避免所有九轮的冲突动作来完美运行。然而，在实践中，正确猜测每个动作的几率非常渺茫。然而，通过仔细利用量子比特之间的纠缠，在每一轮中，玩家都可以在不实际沟通的情况下推测出对方的动作——一种令人困惑的技术，称为量子伪心灵感应。7 月，研究人员发表了一篇论文，报告了他们成功地在现实世界中演示了这种策略，以实现完美的表现。这不仅仅是玩游戏：这项工作还探索了纠缠粒子之间信息共享方式的基本限制。
测试无法测试的昂鲁效应
根据量子场论的原则——爱因斯坦的狭义相对论和用于模拟亚原子粒子行为的量子力学之间不稳定的结合——空旷的空间实际上并非空旷。相反，我们感知到的虚空充满了重叠的能量场。这些场中的涨落可以基本上从“虚无”中产生光子、电子和其他粒子。在预测会从这种奇怪的情况下产生的各种奇异现象中，最奇怪的可能是昂鲁效应，这是一种由任何在真空中加速的物体召唤出的幽灵粒子温暖的裹尸布。该效应以理论家比尔·昂鲁的名字命名，他在 1976 年描述了它，但它非常微妙，尚未被观察到。如果4 月提出的桌面实验能够成功进行，这种情况可能很快就会改变。该实验涉及通过强烈的、精心配置的电磁场加速单个电子。提案者说，这种设置应该降低昂鲁效应可见地显现的加速阈值，从而增加瞥见其难以捉摸的量子辉光的可能性。
量子自旋的新角度
并非量子物理学的所有违反直觉的怪癖都与自然原因有关。有些可以说更多是咎由自取，源于研究人员在如何命名和描述某些现象方面的可疑选择。以量子“自旋”为例，这是附加到基本粒子固有角动量的标签。这个术语令人困惑，因为这些粒子不能物理地自旋——如果它们只是不断旋转的亚原子陀螺仪，它们的旋转速度将快得令人难以置信，远超光速。但是，量子自旋对于解释观察到的电子和其他粒子的行为至关重要：尽管它们可能实际上没有物理自旋，但这些粒子显然在做某些事情。正是“某些事情”可以用最精确的数学方程式来捕捉，但其因果物理基础仍然模糊不清。一种相对较新（且极具争议性）的假设诉诸量子场论来解释。在这个提议中，粒子（来自量子场中的涨落）从其起源场获得自旋（角动量），有点像风力驱动涡轮机旋转。“如果角动量存在于此，”大众科学关于这个想法的文章指出，“电子自旋速度快于光速的问题就消失了；携带电子自旋的场区域远大于据称是点状的电子本身。”