量子世界處處挑戰常識。我們的現代人腦經過數十萬年的生物進化塑造，難以理解我們熟悉的自然環境之外的事物。理解捕食者在草地上追逐獵物很容易；理解亞原子尺度上發生的大多數事情可能需要多年的深入學術研究和大量的複雜數學。因此，毫不奇怪，物理學家每年都會從現實的深層基礎中，在我們感知的前沿之外，帶來令人難以置信的新想法和發現。在此，《大眾科學》重點介紹 2022 年我們最喜歡的一些發現。
宇宙有點，算是虛幻的
今年的諾貝爾物理學獎 授予了花費數十年時間證明宇宙並非區域性實在的研究人員——引用幽默作家道格拉斯·亞當斯的話來說，這是一項“惹惱了很多人並被廣泛認為是一個糟糕舉動”的壯舉。“區域性”在這裡意味著任何物體——例如蘋果——只能受其直接環境的影響，而不能受宇宙另一端發生的事情的影響。“實在”意味著每個物體都具有確定的屬性，而與如何觀察它無關——再怎麼眯著眼睛也不會將蘋果從紅色變成綠色。然而，對糾纏粒子進行仔細的、重複的實驗已經最終表明，這些看似合理的限制並非總是適用於量子領域，即我們可以測量的最基本的現實層面。如果您不確定區域性實在的消亡對生命、宇宙以及萬物究竟意味著什麼，請不要擔心：您並不孤單——物理學家也感到困惑。
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雷射創造時間晶體和通往更高維度的門戶
儘管看起來像是一部邪典科幻電影的情節元素，但今年早些時候發表的兩篇不相關的論文描述了並非完全虛構的在量子前沿利用光的方法。在一項研究中，研究人員報告了首次構建基於雷射的時間晶體，這是一種在時間而非空間中表現出晶體狀週期性結構的量子系統。在另一項研究中，一個團隊詳細介紹了精確的雷射脈衝模式如何誘使離子串表現得像一種前所未有的佔據兩個時間維度的物質狀態。前一項研究可能促成廉價、堅固的微晶片，用於在實驗室外製造時間晶體。後一項研究提出了一種提高量子計算機效能的方法。然而，對於我們大多數人來說，這些研究可能最有用的是在雞尾酒會上聽起來很聰明。
量子心靈感應徵服了不可戰勝的遊戲
梅爾明-佩雷斯魔方 (MPMS) 遊戲是一種只能透過不玩來贏得的競賽。這種糟糕的數獨親戚遊戲涉及兩名參與者輪流在三乘三的網格中新增 +1 或 –1 的值，以協作實現獲勝條件。儘管玩家必須協調他們的行動才能成功，但他們不允許溝通。即使每個人都正確猜測了對方的動作，這對玩家仍然只能在遊戲的九輪中贏得八輪——除非，也就是說，他們玩量子版本。如果使用量子位元（可以在 +1 和 –1 之間交換值）填充每個單元格，那麼理論上，兩名玩家可以透過避免所有九輪的衝突動作來完美執行。然而，在實踐中，正確猜測每個動作的機率非常渺茫。然而，透過仔細利用量子位元之間的糾纏，在每一輪中，玩家都可以在不實際溝通的情況下推測出對方的動作——一種令人困惑的技術，稱為量子偽心靈感應。7 月，研究人員發表了一篇論文，報告了他們成功地在現實世界中演示了這種策略，以實現完美的表現。這不僅僅是玩遊戲：這項工作還探索了糾纏粒子之間資訊共享方式的基本限制。
測試無法測試的昂魯效應
根據量子場論的原則——愛因斯坦的狹義相對論和用於模擬亞原子粒子行為的量子力學之間不穩定的結合——空曠的空間實際上並非空曠。相反，我們感知到的虛空充滿了重疊的能量場。這些場中的漲落可以基本上從“虛無”中產生光子、電子和其他粒子。在預測會從這種奇怪的情況下產生的各種奇異現象中，最奇怪的可能是昂魯效應，這是一種由任何在真空中加速的物體召喚出的幽靈粒子溫暖的裹屍布。該效應以理論家比爾·昂魯的名字命名，他在 1976 年描述了它，但它非常微妙，尚未被觀察到。如果4 月提出的桌面實驗能夠成功進行，這種情況可能很快就會改變。該實驗涉及透過強烈的、精心配置的電磁場加速單個電子。提案者說，這種設定應該降低昂魯效應可見地顯現的加速閾值，從而增加瞥見其難以捉摸的量子輝光的可能性。
量子自旋的新角度
並非量子物理學的所有違反直覺的怪癖都與自然原因有關。有些可以說更多是咎由自取，源於研究人員在如何命名和描述某些現象方面的可疑選擇。以量子“自旋”為例，這是附加到基本粒子固有角動量的標籤。這個術語令人困惑，因為這些粒子不能物理地自旋——如果它們只是不斷旋轉的亞原子陀螺儀，它們的旋轉速度將快得令人難以置信，遠超光速。但是，量子自旋對於解釋觀察到的電子和其他粒子的行為至關重要：儘管它們可能實際上沒有物理自旋，但這些粒子顯然在做某些事情。正是“某些事情”可以用最精確的數學方程式來捕捉，但其因果物理基礎仍然模糊不清。一種相對較新（且極具爭議性）的假設訴諸量子場論來解釋。在這個提議中，粒子（來自量子場中的漲落）從其起源場獲得自旋（角動量），有點像風力驅動渦輪機旋轉。“如果角動量存在於此，”大眾科學關於這個想法的文章指出，“電子自旋速度快於光速的問題就消失了；攜帶電子自旋的場區域遠大於據稱是點狀的電子本身。”