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[科技] 用中子,检验著名的不等式

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孙翰梓 发表于 2024-7-8 20:30:00 | 显示全部楼层
 
用中子,检验著名的不等式 第1张图片





一个粒子能同时出现在两个分歧的地方吗?在量子物理学中,答案是必定的:量子理论答应物体同时处于分歧的态,大概更正确地说——处于叠加态


可是,究竟果然如此吗?有没有能够这个粒子只是处于一个很是特别的态、位于一个很是特别的位置,只是我们不晓得呢?量子物体的行为能否可以用一个简单的、更典范的理论来描写?这是一个已经被会商了数十年的题目。


1985年,物理学家Anthony James LeggettAnupam Garg提出了一种丈量方式。他们建立了一组不等式,即Leggett-Garg不等式,并表白任何可用于描写这个天下的、不触及量子理论中奇异的叠加态的理论,都必须遵守该不等式,而量子理论则会违反‍‍‍‍


曩昔,科学家已经在各类微观系统(如超导量子比特、核自旋、光子)中停止了大量的尝试来测试遵守和违反这一不等式的行为。现在,在一项于近期颁发于《物理批评快报》的新研讨中,维也纳大学的一组物理学家初次操纵中子尝试,对这个不等式停止了测试。他们获得的成果明白表白:对中子系统来说,Leggett-Garg不等式被违反了。‍




  物理实在论 


凡是,我们假定每个物体都有一定的属性,比如一个球位于某个特定的位置,它有一定的速度,也许还有一定的扭转。这与我们能否对球停止观察无关,它的这些属性是客观的、自力于我们的观察的。这类概念就被称为“实在论”。


从平常经历中我们晓得,大的、宏观的物体都必须遵守这一法则。我们还晓得,肉眼可见的宏观物体可以在不受明显影响的情况下被观察,而这些观察不会从底子上改变物体的状态。这些假定统称为“宏观实在论”。


但是,现在我们晓得,量子理论却违反了这类宏观实在论。假如一个量子粒子可以有分歧的能够态,例如分歧的位置、速度或能量,那末这些态的任何组合也是能够的,最少只要这个态不被丈量。在丈量进程中,叠加态被破坏,换言之,丈量会迫使粒子挑选其中一个能够的值。




  Leggett-Garg不等式  


但是,量子天下必须在逻辑上与宏观天下相连,由于任何大的物体也都是由细小的量子粒子组成的。理论上,量子理论应当适用于一切事物。


所以题目就来了:有没有能够在“大”物体中,观察到与我们直观的宏观实在论绘景纷歧致的行为?宏观的物体也能清楚地显现出量子特征的迹象吗?


Leggett-Garg不等式就是一个可以用来检验宏观实在论的公式它背后的思惟与著名的贝尔不等式类似。但贝尔不等式处置的是两个在空间上分手的粒子的行为的相关性的题目;而Leggett-Garg不等式处置的是一个物体随时候的变化。


换句话说,Leggett-Garg不等式可以告诉我们实在论在平常天下中能否建立。它提出的题目是:一个物体在特按时候点的态,与它在其他特按时候点的态有何关系?




  更强的相关性  


Leggett和Garg假定,一个物体可以在三个分歧的时候点被丈量,每次丈量城市发生两个分歧的成果。即使我们完全不晓得这个物体的状态能否会随时候变化以及若何随时候变化,我们仍然可以经过统计分析来领会分歧时候点的成果相互之间的相关性。


假定宏观实在论是正确的,那末物理学家可以经过数学方式证实,这些相关性的强度永久不会跨越某个水平。是以,Leggett和Garg就建立了一个不等式,对于每个宏观实在论的理论来说,不治理论的细节为何,它们都必须满足这个不等式。


可是,假如物体遵守的是量子理论的法则,那末在三个分歧时候点的丈量成果之间,必须存在明显更强的统计相关性。Laggett和Garg以为,假如一个物体在丈量时候之间的同一时候处于分歧的态,就必定会致使三次丈量之间的相关性更强


但是,想要经过尝试来证实这一猜测却很是辣手。假如物理学家想要测试宏观实在论,那末就需要用到既宏观又能表示出量子特征的物体。




  中子束:厘米级的量子物体  


在新的研讨中,物理学家发现,中子干与仪中的中子束是停止这项丈量的完善挑选。在新研讨所利用的中子干与仪中,入射的中子束会在碰到第一块晶体板时被分红两份粒子束,然后这两束粒子会经过另一块硅而重新连系。是以,中子可以经过两种分歧的方式从源传布到探测器。


用中子,检验著名的不等式 第2张图片

中子束(绿)被分红两部分,然后再连系。每一其中子同时沿着两条途径活动。(图/tuwien.at)



按照量子理论,每一其中子都同时在两条途径上活动。但是,这两束粒子束相距几厘米。从某种意义上说,在量子标准下看,物理学家处置的是一个庞大的量子物体。


经过采用几个复杂的中子丈量组合,研讨职员测试了Leggett-Garg不等式。他们的成果清楚地显现:不等式被违反了——中子的行为没法以任何可设想的宏观实在论来诠释,它们都同时在两条途径上活动,同时位于分歧的、相距几厘米的地方


这样的成果驳倒了“也许中子只在两条途径中的一条上活动,只是我们不晓得是哪一条”的概念。它表白,这个天下真的像量子理论所描写的那样希奇。假如没有量子物理,不管用哪类典范的宏观实在论,都永久没法诠释现实。


#创作团队:

编译:细雨

排版:雯雯

#参考来历:

https://www.ucl.ac.uk/quantum/news/2021/nov/quantum-experiment-could-prove-reality-doesnt-exist

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/neutronen-auf-klassisch-unerklaerlichen-bahnen

https://arxiv.org/pdf/1304.5133

#图片来历:

封面图 & 首图:Pixabay



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