五種怪異量子效應：量子齊諾效應和真空雙折射

　　2018年03月29日 08:09 新浪科技


　　新浪科技訊 北京時間3月29日消息，據國外媒體報道，目前，澳大利亞研究員勞倫·福格（Lauren Fuge）指出，除了著名的「薛定諤的貓（Schrodinger』s cat）」和海森堡的「不確定原理（uncertainty principle）」之外，量子效應還存在許多怪異現象。

　　你可能聽過「薛定諤的貓」和海森堡的「不確定原理」，甚至量子糾纏（quantum entanglement），這些量子現象試圖以極小比例解釋世界，自從量子效應被發現，在一個世紀里這些神奇效應已是眾所周知。

　　但事實上量子效應僅是原子和亞原子微粒怪異和違反直覺的開始，許多奇特的量子效應仍然令科學家迷惑不解，以下是五種最怪異的量子效應：

　　

　　1、量子齊諾效應（quantum Zeno effect）

　　讓我們先從經典的「薛定諤的貓」理論開始吧，在這個著名的思維實驗中，一隻貓被困在裝有放射性物質的盒子里，如果放射性物質進行衰變，輻射會觸發一個釋放毒氣的探測器，這隻貓會被殺死。

　　但我們檢測盒子內部狀況，發現盒子內部會同時存在兩種狀態：一種狀態是貓沒有腐爛，仍是活著的；另一種狀態是貓已腐爛，它已死去。此刻我們決定觀察一下盒子裡面的情況，證實這隻貓是死了，還是又活過了一天。

　　但是你每秒數千次窺視這個盒子，監測盒子中的放射物質，你可能改變這一變化過程。根據你所觀測的方式，結果可能是延遲放射性衰變（被稱為量子齊諾效應）或者加速放射性衰變（被稱為量子反齊諾效應）。據悉，齊諾效應的命名源自古希臘哲學家齊諾的名字，這位哲學家曾提出一系列邏輯悖論，其中最著名的包括：關於龜兔賽跑的「阿基里斯謬論（Achilles）」，證實擅跑英雄阿基里斯追上烏龜是不可能的，因為任何距離都可切割成無數小的距離，烏龜會製造出無窮個起點，它總能在起點與自己之間製造出一個距離，不管這個距離有多小，但只要烏龜不停地奮力向前爬，阿基里斯就永遠也追不上烏龜！

　　齊諾效應引起的變化是由於測量引起的干擾，甚至人們只需晃動盒子，而不是朝向盒子里觀看，就完全足夠了。

　　

　　2、中微子缺少「身份識別」

　　「薛定諤的貓」是量子物理中較奇特的構想例子之一，證實疊加理論的存在。這一基礎理論認為，物體能同時以兩種或者更多狀態存在，即一隻存活或者死亡的貓並非你現實情況下所看到的，物理學家在實驗室經常使電子同時順時針和逆時針旋轉。

　　基於以上觀點，科學家表明神秘微粒——中微子，在穿行數百公里的範圍內可保持兩種或者更多的狀態，中微子是一種亞原子粒子，它與物質幾乎沒有相互作用（每秒大約有10萬億個中微子穿過你的手）。同時，它們在穿越空間時，會在不同「味（用以區分不同類型的夸克和不同種類的粒子）」和類型之間快速振蕩，中微子會以一種「味」開始，並以另一種「味」到達目的地。

　　但是這種轉換並不簡單，研究表明，在穿行過程中，中微子並沒有明確的「味」，它們仍然處於一種「身份認同危機（identity crisis）」狀態，同時存在多種「味」。

　　

　　3、Hong-Ou-Mandel效應

　　量子光學是涉及光的一個研究領域，它與物質之間的相互作用是最小的。Hong-Ou-Mandel效應描述了兩種光子在分束器（beam splitter）進行交互的奇特方式，它們可以反彈或者穿過，每種方式都有50%的可能性。

　　如果兩種相同光子從兩側進入分束器，會出現四種可能性：上方光子被反射；下方光子被傳輸；上方和下方光子都被傳輸；上方和下方光子都被反射。

　　這裡存在一些奇特現象，由於光子性質相同，我們無法區分第二種和第三種可能性之間的差別，同時，相同性質的光子可能彼此抵消。最終，你可能最終僅看到第一種和第四種可能性：兩個光子總是位於分束器相同一側的末端。

　　

　　4、「真空雙折射」

　　有時我們必須在宏觀尺度上觀測宇宙，從而獲得微觀等級的認知。近期，天文學家正在研製一種非常緻密、具有強磁性的中子星，從中發現「真空雙折射（vacuum birefringence）」量子效應的第一證據。

　　據悉，「真空雙折射」假設理論首次是上世紀30年代提出的，當時量子理論預測真空並非完全是「空的」，相反，真空還充滿閃爍存在和消失的大量虛擬粒子。

　　正常情況下，我們預測光線穿過真空是不會發生變化的，但是光線證實了極端磁場，就像中子星周圍的磁場一樣，能夠改變真空中這些虛擬粒子的性質，並影響穿過光線的極化狀態。當光線抵達地面上的望遠鏡時，我們可以觀察到宏觀等級的量子效應。

　　

　　5、溫度量子

　　想像一下，你將烤箱內溫度調高，然後放入一個蛋糕進行烘烤，由於烤箱部分位置仍處於室溫條件，之後會發現蛋糕上有一些部分未烤熟。

　　我們通常認為，熱量非常平滑地從熱點區域流至鄰近低溫區域，使一個房屋加熱，或者物體均勻受熱。在量子物理學中，情況卻並非如此。研究發現石墨烯具有獨特的溫度特徵，石墨烯是一種由單層碳原子構成的特殊材料，電子攜帶熱量以波紋形式傳播，這些波紋意味著石墨烯中一些斑點仍保持低溫，而其它位置被加熱升溫。

　　令人興奮的是，波紋大小可以被控制，因此可以使用熱量顯微鏡進行觀察，有助於科學家在量子等級觀察溫度變化。如果我們能夠利用這種效應，很可能將其應用在計算、醫學和環境監測等方面。（葉傾城）