由於量子物理學,巨型分子可以同時存在於兩個地方。
科學家們長期以來都知道,根據以下幾個事實,這在理論上是成立的:宇宙中的每個粒子或粒子群也是一種波——即使是大的粒子,甚至是細菌,甚至是人類,甚至是行星和恆星。而波可以同時佔據空間中的多個位置。因此,任何一塊物質也可以同時佔據兩個位置。物理學家將這種現象稱為“量子疊加”,幾十年來,他們已經使用小粒子證明了這一點。
但在最近幾年,物理學家們擴大了他們的實驗規模,使用越來越大的粒子來演示量子疊加。現在,在一篇9月23日發表在《自然-物理學》雜誌上的論文中,一個國際研究團隊已經使由多達2000個原子組成的分子同時佔據兩個位置。
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為了實現這一目標,研究人員構建了一個複雜、現代化的版本,它基於一系列著名的舊實驗,這些實驗首次證明了量子疊加。
研究人員早就知道,光線穿過一塊有兩個狹縫的薄片時,會在薄片後面的牆壁上產生干涉圖案,或一系列明暗條紋。但光被理解為一種無質量的波,而不是由粒子組成的東西,因此這並不令人驚訝。然而,在20世紀20年代的一系列著名的實驗中,物理學家表明,透過薄膜或晶體發射的電子也會以類似的方式表現,在衍射材料後面的牆壁上形成類似於光線的圖案。
如果電子僅僅是粒子,因此一次只能佔據空間中的一個點,那麼它們會在薄膜或晶體後面的牆壁上形成兩條條帶,大致是狹縫的形狀。但實際上,電子撞擊牆壁時形成的複雜圖案表明電子與自身發生了干涉。這是波的明顯標誌;在某些位置,波峰重合,形成較亮的區域,而在另一些位置,波峰與波谷重合,因此兩者相互抵消,形成暗區。由於物理學家已經知道電子具有質量,並且肯定是粒子,因此該實驗表明,物質既表現為單個粒子,又表現為波。
但是,用電子建立干涉圖案是一回事。用巨型分子來做這件事就困難得多。較大的分子具有不太容易檢測到的波,因為質量更大的物體具有更短的波長,這可能導致幾乎無法察覺的干涉圖案。而這些由2000個原子組成的粒子,其波長比單個氫原子的直徑還要小,因此它們的干涉圖案遠沒有那麼引人注目。
為了完成大型物體的雙縫實驗,研究人員製造了一臺機器,它可以發射一束分子(被稱為“富含氟烷基硫鏈的寡-四苯基卟啉”,有些分子質量是簡單氫原子的25,000多倍),使其穿過一系列帶有多個狹縫的光柵和薄片。光束大約有6.5英尺(2米)長。科學家在論文中寫道,這已經足夠大,研究人員在設計光束髮射器時不得不考慮重力和地球自轉等因素。他們還為了量子物理實驗將分子保持在相當高的溫度下,因此他們必須考慮熱量攪動粒子的情況。
但是,當研究人員開啟機器時,光束遠端的探測器顯示出了干涉圖案。分子同時佔據空間中的多個點。
研究人員寫道,這是一個令人興奮的結果,證明了在比以往任何時候都更大的尺度上都存在量子干涉。
作者寫道:“下一代物質波實驗將把質量推高一個數量級。”
因此,即使更大規模的量子干涉演示即將到來,但很快用干涉儀發射自己可能仍然是不可能的。(首先,機器中的真空可能會殺死你。)我們這些巨型生物只能坐在一個地方,觀看粒子們盡情玩耍。
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