广义相对论 量子世界有多大?


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奥地利和瑞士科学家已经成功地将只有100到140纳米宽的纳米粒子冷冻 , 让它们几乎完全进入最低能量的量子状态 , 使它们的温度仅比绝对零度高出几百万分之一度 , 并且可以精确的测量它们的空间位置 。

一直以来 , 研究人员一直在稳步增加粒子的大小 , 从原子到小分子 , 然后是大分子……他们希望得到表现出量子效应的粒子能持续到何种尺寸 。
宏观状态下 , 每个物体都有自己的位置 , 我们可以通过坐标系统精确地确定一个物体的空间位置 。
当进入微观世界 , 物质达到量子级别 , 重力不再起作用 , 粒子将进入一个所谓的量子叠加状态——在测量它们之前 , 不可能说它们就在它们的位置 , 它可以在这里 , 可以在那里 , 也可以在别的地方 。
但是当粒子与周围环境相互作用时 , 这种量子效应往往很容易受到干扰 , 因此 , 随着物体变大并经历更多的相互作用 , 建立叠加状态会变得困难 , 这些相互作用几乎瞬间叠加-坍塌 。
量子叠加效应的消失是由于粒子的大小限制?还是因为量子行为与重力不相容(原子和分子可以忽略不小)?
这些问题在量子理论的百年历史中一直存在的问题 。
另一个与精确测量粒子的空间位置相反的想法是 , 对于叠加态的粒子 , 根本就没有明确的答案——\"位置\"的属性定义不明确 。 当我们看粒子时 , 我们怎么知道粒子是在叠加之前的粒子 , 还是现在的粒子?
所以 , 我们不需要精确知道粒子的位置 , 我们只要知道它们在空间出现的概率即可 , 就像波一样 , 而且可以用波函数数学公式来描述 。
当粒子穿过屏幕上两个狭小的隔缝时 , 量子干扰最为明显 。 如果我们关注粒子到底穿过哪个缝隙 , 那么粒子的行为将很像水波 , 其波功能将同时通过两个缝隙传播 , 从而形成双峰干涉 。 但是 , 如果我们在缝隙放置一个测量装置来告诉我们每个粒子是否通过它 , 观察粒子的路径 , 那么干扰模式就会消失 。
那么物体尺寸多大时 , 还能同时表现出波和粒子的性质(简称波粒二象性)?
从理论上讲 , 任何大小物质都能表现出波动性和粒子性 , 但是随着物种尺寸的增大 , 物质的波动性不明显 。
1999年 , 维也纳大学的量子物理学家安东·泽林格用碳60进行了双缝实验研究这个问题 , 他们发现一个清晰的干扰模式 , 证明即使是像C60这样0.7纳米的分子可以进行干涉试验 。
2011年 , 量子物理学家马库斯·阿恩特和他的团队对碳基有机分子进行干涉试验 , 每个原子最多430个原子 , 直径高达6纳米 。 2019年 , 他们用大约2000个原子的分子做到了这一点 。 2020年 , 他们用生物分子(一种叫做克麦地那A1的天然肽)进行了干涉实验 。 他们的目标是每年或两年将粒子的质量增加10倍 , 最后用生物进行干涉试验 , 探索量子干涉的极限 。
马库斯·阿恩特实验室干涉仪的高真空室
现在 , 量子力学似乎与现代重力理论(爱因斯坦的广义相对论)不相容 。 量子世界是离散的和粒子性的 , 而相对论则把时空描述为平滑和连续 。 通常情况下 , 这种不和谐可以忽略 , 因为量子力学描述尺度非常小的微观世界 , 而广义相对论描述大宇宙天体 。 如何将极小和极大联系在一起 , 这是物理学界的一座圣杯 , 包括霍金在内的几代物理学家已经为之倾尽毕生心血 。
英国数学物理学家罗杰·彭罗斯认为 , 在中尺度上 , 当量子理论与广义相对论相冲突时 , 后者将获胜 , 破坏量子效应 。 在广义相对论下 , 任何具有显著引力场的物体都会扭曲时空 。 但是 , 处于叠加状态的物质会产生两个叠加的时空 , 这是广义相对论不允许的情况 , 在此种情况下 , 重力将作出选择 , 只能保留一种情况 。 那么在此种情况下 , 可以监测到粒子重力 , 产生叠加的粒子重力也在发挥作用 。
换句话说 , 将量子尺度扩展到重力起作用的大小 , 并在波函数坍缩之间观测到它们 , 那将是对量子力学本质的巨大发现 。

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