量子物理的基本定律也能繞開 首次規(guī)避海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理

19世紀(jì)末，海森堡首次提出了不確定性原理。在量子物理學(xué)中，對(duì)于某一個(gè)確定的粒子，我們無法同時(shí)精確地知道粒子的位置和速度。海森堡曾言:“在因果律的陳述中，即‘若確切地知道現(xiàn)在，就能預(yù)見未來’，所錯(cuò)誤的并不是結(jié)論，而是前提。我們不能知道現(xiàn)在的所有細(xì)節(jié)，是一種原則性的事情。”

在最近發(fā)表在science上的一篇論文中，芬蘭阿爾托大學(xué)的米卡·西蘭帕教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，有一種方法可以規(guī)避不確定原理。

研究小組并沒有使用基本粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是使用更大物體——一對(duì)振動(dòng)的鋁膜，類似于兩個(gè)小鼓，每個(gè)鼓長(zhǎng)約10微米——10微米大概只有頭發(fā)絲直徑的五分之一，但按量子標(biāo)準(zhǔn)來看，它們是如此巨大，每個(gè)結(jié)構(gòu)由大約一萬億個(gè)原子組成。兩個(gè)鼓膜震動(dòng)的相位相反，研究小組用微波光子對(duì)膜進(jìn)行擾動(dòng)，使它們同步振動(dòng)，并使其運(yùn)動(dòng)處于量子糾纏狀態(tài)。在任何給定的時(shí)間，隨著鼓的上下擺動(dòng)，測(cè)量它們?cè)谄矫嫔系奈灰票砻魉鼈兲幱谕耆嗤奈恢?，并且測(cè)量它們的速度時(shí)會(huì)返回完全相反的值。

米卡·西蘭帕教授表示：“兩個(gè)鼓膜的 振動(dòng)相 完全相反。”在這種狀態(tài)下，可以將兩個(gè)鼓視為一個(gè)量子力學(xué)實(shí)體，那么鼓膜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性就被消除了。這意味著研究人員能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)鼓面的位置和動(dòng)量—而根據(jù)海森堡不確定性原理，這是不可能的。打破不確定性原理使得他們能夠表征驅(qū)動(dòng)鼓膜的極弱的力，“一個(gè)鼓膜延著相反的方向?qū)α硪粋€(gè)鼓膜所施加的所有的力做出反應(yīng)，就像是有著負(fù)的質(zhì)量”。

這項(xiàng)研究表明大的物體可以處于相對(duì)穩(wěn)定的糾纏態(tài)，而糾纏對(duì)象不能被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。處于糾纏狀態(tài)中的物體，彼此之間可以具有任意大的空間間隔，可以表現(xiàn)出與經(jīng)典物理學(xué)相矛盾的行為。對(duì)于同一個(gè)就糾纏態(tài)，研究人員可以進(jìn)行多次測(cè)量，從而繞開了不確定性原理。也就是說，本實(shí)驗(yàn)并沒有違反、打破不確定性原理，而是通過反作用規(guī)避了不確定性原理。

對(duì)于宏觀的物體，量子糾纏效應(yīng)是很難維持穩(wěn)定的，極易被周圍的環(huán)境擾動(dòng)破壞。所以，進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度比絕對(duì)零度高0.01℃。研究小組表示他們將繼續(xù)這項(xiàng)研究，以探索量子力學(xué)和引力的相互作用。實(shí)驗(yàn)所使用的振動(dòng)鼓面有可能作為嶄新的元器件，用作連接大型分布式量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接口。

參考文獻(xiàn)：

1.Quantum mechanics–free subsystem with mechanical oscillators” by Laure Mercier de Lépinay, Caspar F. Ockeloen-Korppi, Matthew J. Woolley and Mika A. Sillanp??, 7 May 2021, Science.DOI: 10.1126/science.abf5389

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