由于量子物理学,巨型分子可以同时存在于两个地方。
科学家们长期以来都知道,根据以下几个事实,这在理论上是成立的:宇宙中的每个粒子或粒子群也是一种波——即使是大的粒子,甚至是细菌,甚至是人类,甚至是行星和恒星。而波可以同时占据空间中的多个位置。因此,任何一块物质也可以同时占据两个位置。物理学家将这种现象称为“量子叠加”,几十年来,他们已经使用小粒子证明了这一点。
但在最近几年,物理学家们扩大了他们的实验规模,使用越来越大的粒子来演示量子叠加。现在,在一篇9月23日发表在《自然-物理学》杂志上的论文中,一个国际研究团队已经使由多达2000个原子组成的分子同时占据两个位置。
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为了实现这一目标,研究人员构建了一个复杂、现代化的版本,它基于一系列著名的旧实验,这些实验首次证明了量子叠加。
研究人员早就知道,光线穿过一块有两个狭缝的薄片时,会在薄片后面的墙壁上产生干涉图案,或一系列明暗条纹。但光被理解为一种无质量的波,而不是由粒子组成的东西,因此这并不令人惊讶。然而,在20世纪20年代的一系列著名的实验中,物理学家表明,通过薄膜或晶体发射的电子也会以类似的方式表现,在衍射材料后面的墙壁上形成类似于光线的图案。
如果电子仅仅是粒子,因此一次只能占据空间中的一个点,那么它们会在薄膜或晶体后面的墙壁上形成两条条带,大致是狭缝的形状。但实际上,电子撞击墙壁时形成的复杂图案表明电子与自身发生了干涉。这是波的明显标志;在某些位置,波峰重合,形成较亮的区域,而在另一些位置,波峰与波谷重合,因此两者相互抵消,形成暗区。由于物理学家已经知道电子具有质量,并且肯定是粒子,因此该实验表明,物质既表现为单个粒子,又表现为波。
但是,用电子创建干涉图案是一回事。用巨型分子来做这件事就困难得多。较大的分子具有不太容易检测到的波,因为质量更大的物体具有更短的波长,这可能导致几乎无法察觉的干涉图案。而这些由2000个原子组成的粒子,其波长比单个氢原子的直径还要小,因此它们的干涉图案远没有那么引人注目。
为了完成大型物体的双缝实验,研究人员制造了一台机器,它可以发射一束分子(被称为“富含氟烷基硫链的寡-四苯基卟啉”,有些分子质量是简单氢原子的25,000多倍),使其穿过一系列带有多个狭缝的光栅和薄片。光束大约有6.5英尺(2米)长。科学家在论文中写道,这已经足够大,研究人员在设计光束发射器时不得不考虑重力和地球自转等因素。他们还为了量子物理实验将分子保持在相当高的温度下,因此他们必须考虑热量搅动粒子的情况。
但是,当研究人员打开机器时,光束远端的探测器显示出了干涉图案。分子同时占据空间中的多个点。
研究人员写道,这是一个令人兴奋的结果,证明了在比以往任何时候都更大的尺度上都存在量子干涉。
作者写道:“下一代物质波实验将把质量推高一个数量级。”
因此,即使更大规模的量子干涉演示即将到来,但很快用干涉仪发射自己可能仍然是不可能的。(首先,机器中的真空可能会杀死你。)我们这些巨型生物只能坐在一个地方,观看粒子们尽情玩耍。
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