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地球引力或迫使我们到太空做量子实验

2015年06月18日01:24    来源:科技日报    手机看新闻
原标题:地球引力或迫使我们到太空做量子实验

  科技日报北京6月17日电 (记者陈丹)以前被忽视的地球引力(重力)对量子系统的影响,很可能会扰乱量子实验。如果这一结果得到确认,意味着一些量子研究或将无法在地球上进行。

  不管怎么尝试,你都不能同时出现在两个地方,但电子可以。量子力学的规律告诉我们,亚原子粒子以叠加态存在,直至测量导致它的波函数坍缩。而一旦物体足够大,就会失去量子特性,这个过程被称为退相干,这主要是因为较大物体与环境的互动,迫使它们只能处于一个位置。

  物理学家们一直在通过阻隔外力对物体的影响来开展量子实验。2010年,美国加州大学圣芭芭拉分校的一个团队将一个60微米长的金属条冷却到刚刚高于绝对零度(零下273.15摄氏度),以免其产生温度波动,才得以使它保持了大约几纳秒的叠加态。科学家们希望能将更大的物体,比如病毒,置于叠加态,但现在看来他们还面临着一个更根本的障碍——重力。

  《新科学家》杂志网站16日的报道称,哈佛大学的伊戈尔·皮科夫斯基和他的同事计算了在地球重力场中做量子实验会出现什么情况。他们发现,引力时间膨胀效应可能会导致大型系统失去其量子特性。

  皮科夫斯基的计算表明,处于叠加态的分子也应该经历这种时间差,而这会破坏其量子态。这是因为,分子内的原子键像弹簧一样在不断振动,如果一个分子处于距地面高度不同的两种态的叠加,每一种态的振动频率不同会导致叠加态坍塌。

  皮科夫斯基说,如果开展一个让1克碳——大约10的23次方个原子——处于叠加态的实验,能让它们垂直相距1微米的话,地球引力场将在1毫秒之内导致实验退相干。而更小的粒子如电子因为没有可移动的构成成分,不会受时间膨胀影响。

  目前,皮科夫斯基的观点仍然只是理论,但他认为可以通过原子钟进行检验——让一个原子钟处于垂直叠加态,它会同时以两种频率发出滴答声,从而发生退相干。

  牛津大学的安德鲁·布里格斯准备用振动碳纳米管的大规模叠加态实验测试皮科夫斯基的理论。如果得到证实,这意味着物理学家可能不得不脱离地球引力前往月球或者太空开展宏观物体的量子实验。

  总编辑圈点

  爱因斯坦曾预言,引力会减慢时间。原子钟实验显示,由于引力场强度的微弱差异,你的头会比脚老得快一点儿,住二楼的人可能比在一楼老得快一点儿——每年约10纳秒。尽管这是一个短到很多人没有概念甚至没听说过的时间尺度,但宏观世界和微观量子世界有不同的规则,如果使用卫星与地面进行量子通讯,重力将可能产生致命的影响。本理论如获证实,不但要将科学家赶到太空去进行研究,更给远距离高跨度的量子通讯产业发展又添新障碍。

(来源:科技日报)



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