@ 2019.10.09 , 11:00

2000个原子构成的大分子仍然具备量子性

几乎每个现代人都听说过薛定谔的猫吧:物理学家薛定谔巧妙设计的思想实验,用来揭示量子力学的叠加态在宏观层面上引发的悖论。

好吧,因为不能把真猫置于如此险恶的境地,所以科学家们设法用2000个原子组成的巨大分子来代替。

量子叠加态,已经被无数的经典实验所验证——物理客体可以同时存在于两个不同位置,但是实验对象都是尺度极小的微观粒子。

新实验的目的是完善量子力学理论,更多地了解这一特别烧脑的物理学分支实际上是如何工作的,以及量子力学定律如何在宏观世界里表现出一致性。

研究人员在论文中指出:“我们的结果显示出与量子理论的极佳一致性,无法用经典的方式进行解释。”尤其是,这项新研究涉及薛定谔Schrödinger方程(是的,还是他),该方程甚至指出,同时存在于多个位置的单一粒子化成的物质波,会像池塘上的涟漪一样相互干扰。

为了测试这一点,科学家们设计了一个双缝实验——量子物理学家非常熟悉的实验。

传统上,我们令单个粒子通过两条缝隙。如果用光子进行实验,则接收屏上应该出现一个光带。但实际上,投射在屏幕上的是干涉图案——表明光粒子也可以以波的形式传播。就像薛定谔的猫一样,光子似乎同时位于两个位置。但是,正如我们大多数人都知道的那样,在未被观察到之前,猫处于两种状态;盒子打开后,猫要么死,要么活,而不是继续维持叠加态。

光子也一样。一旦直接测量或观察到光子,叠加态就会消失,光子的状态坍塌。这是量子力学核心问题之一。我们又利用电子,原子和较小分子进行了相同的双缝实验。现在,物理学家证明,量子力学也适用于大分子。

在双缝实验中,由多达2000个原子组成的分子制造出了量子干涉条纹。这些分子名为“富含氟烷基硫烷基链的低聚四苯基卟啉”,其中一些分子的质量是氢原子的25000倍以上。

但是随着质量变大,它们的稳定性会降低,科学家只能使用一种新发明的被称为物质波干涉仪(旨在沿不同路径测量原子的设备)在7毫秒内完成实验。甚至还必须考虑诸如地球自转和引力之类的因素。尽管如此,努力终有回报——我们现在知道量子力学同样适用于大分子。

传统上,量子力学只适用于微观对象,而经典物理学则适用于宏观物体,因此在双缝实验中可以使用的分子越大,我们越接近该量子与经典的边界线。此类研究先前的记录最大是800个原子构成的分子。

奥地利维也纳大学的物理学家Yaakov Fein说:“我们的实验表明,量子力学及其所有奇特的特性非常强大。我对未来在更大尺度内进行的实验感到乐观。”

论文已发表在《自然·物理学》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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