追逐光束

Shadow of man's head inside art concept of the galaxy.

Mikhail Rudenko/Getty Images

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阿爾伯特·愛因斯坦在 16 歲時,曾想象自己在太空真空中追逐一束光。多年來,他一直在思考這個景象,反覆思索,詢問關於他自己與光束之間關係的問題。這些心理探索最終引導他提出了狹義相對論。這種思想實驗,愛因斯坦用德語詞彙 gedankenexperiment 來稱呼,至今仍在滋養著物理學的核心,尤其是在他幫助建立的量子力學領域。

理論物理學家斯蒂芬·L·阿德勒在接受我們的記者蒂姆·福爾傑採訪時談到量子現實的機率性質時說:“在量子力學中,事情不會‘發生’。”

從哲學角度來看,這可能是真的,但這並沒有阻止研究人員測試量子概念。荷蘭代爾夫特理工大學的一個小組使用雷射激發電子發射光子,排除了“隱變數”的存在,愛因斯坦認為這些“隱變數”控制著所謂的糾纏粒子——量子理論的主要原則之一。如果沒有這些神秘的力量,奇異的動力學確實可能在量子世界中發揮作用,挑戰我們對空間和時間的觀念。物理學家李·斯莫林認為,宇宙的結構是原子相互作用的巨大集合,存在於不斷演化的關係網路中,事件之間的因果關係是複雜的,並且與距離無關。


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儘管量子理論存在理論上的奧秘,但其在現實世界中的應用正在增長。研究人員正在將原子系統冷卻到接近絕對零度,用作量子模擬器,以研究超導體和超流體中的應用。其他人則使用臺式實驗來監測糾纏物體(例如微小的金球或金剛石球)周圍的引力場,尋找引力本身被“量子化”為離散位元的跡象。在更大的尺度上,諸如事件視界望遠鏡(在 2019 年製作了第一張黑洞照片)和引力波探測器等工具可能有助於解決量子力學和廣義相對論之間長期存在的、令人困惑的矛盾

這些量子見解正在推動巨大的創新。中國的一個研究團隊成功地在 1200 公里的距離上測試了疊加,為無法破解的量子通訊網路鋪平了道路。計算機科學家正在使用量子演算法來增強傳統系統,加速邁向備受矚目的量子計算時代。正如伊麗莎白·吉布尼報道的那樣,這些應用仍然不成熟,但這並沒有阻止投資者向量子初創公司 Pouring 資金

科學史學家一直在爭論愛因斯坦是否接受了與他自己的理論相沖突的量子理論要素。誰知道他是否能想象到他的想法所產生的應用。無論如何,思想實驗仍在繼續。

安德烈婭·加夫裡列夫斯基《大眾科學》的首席新聞通訊編輯。她撰寫每日《今日科學》新聞通訊,並監管該雜誌的所有其他新聞通訊。此外,她還管理所有特別收藏版,過去曾擔任《大眾科學心靈》、《大眾科學太空與物理》以及《大眾科學健康與醫學》的編輯。加夫裡列夫斯基在《科學家》雜誌開始了她的新聞事業,在那裡她是一名專題撰稿人和“熱門”生命科學研究論文的編輯。她曾在教育出版領域工作六年多,為生物學、環境科學和營養學高等教育編輯書籍。她擁有地球科學碩士學位和新聞學碩士學位,均畢業於普利策獎的搖籃——哥倫比亞大學。

更多作者:安德烈婭·加夫裡列夫斯基
SA Special Editions Vol 30 Issue 5s本文最初以“追逐光束”為標題發表於SA 特刊 第 30 卷第 5s 期(),第 1 頁
doi:10.1038/scientificamericanQuantum1221-1
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