新科學(xué)家 By AnilAnanthaswamy
25 October 2017
二象性可能聽(tīng)起來(lái)脫離光束的，但它已經(jīng)通過(guò)另一個(gè)、宏大的測(cè)試.Marco Tomasin
量子世界的神秘的波-粒二象性已經(jīng)被用衛(wèi)星測(cè)試------創(chuàng)下一個(gè)檢測(cè)這種怪異的行為超過(guò)3000公里的新距離紀(jì)錄。
我們知道光子是能量或粒子的量子，但在一些實(shí)驗(yàn)中這種粒子像波一樣行為的。按照標(biāo)準(zhǔn)的量子物理學(xué)，我們能要么觀察這種量子系統(tǒng)的粒子性質(zhì)要么波性質(zhì)，但永遠(yuǎn)不能在同一時(shí)間同時(shí)觀察這兩個(gè)。每當(dāng)我們嘗試時(shí)，測(cè)量光子的行為迫使它表現(xiàn)為一種或另一種的。
1978年，物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒提出了所謂延遲選擇實(shí)驗(yàn)，其中決定是否要尋找光子的波或粒子性質(zhì)被延遲直到這個(gè)光子已經(jīng)進(jìn)入這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置后。
假設(shè)光子進(jìn)入了一個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)尋找它的粒子性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，而你在非常最后一刻選擇來(lái)做一個(gè)突變并看它的波動(dòng)性。光子會(huì)做怎么呢？理論說(shuō)光子應(yīng)像波一樣。
過(guò)去的二十年中，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)試了惠勒的想法并證明它們是正確的。但在這些實(shí)驗(yàn)中一個(gè)光子旅行的最長(zhǎng)距離約是140公里。
現(xiàn)在，意大利帕多瓦大學(xué)的泡羅維羅萊斯和他的同事們用人造衛(wèi)星在幾千公里測(cè)試量子力學(xué)已經(jīng)做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，為基于空間的應(yīng)用鋪平道路。維羅萊斯說(shuō)，"像伽利略一樣，當(dāng)時(shí)他是帕多瓦的教授，教了我們，你必須在你正在想用它們的邊界的地方檢查你的法則"。
在他們的設(shè)置中，一個(gè)激光的脈沖進(jìn)入一種叫做一個(gè)分束器的裝置，分束器為光創(chuàng)建兩條要走的路徑。一條路徑是直的和另一條繞道而行，因此在直線路徑上的光有一條更短的路程去走。在繞行路線上的光重新加入直道兩個(gè)脈沖朝著在低地球軌道的一顆衛(wèi)星沿著相同的路線走，一個(gè)落后另一個(gè)。
衛(wèi)星把脈沖的光反射回地球，在它們相遇的地方一種裝置隨機(jī)的做兩件事之一：它能要么什么都不做，要么它能有點(diǎn)抓住第一個(gè)脈沖因此這一對(duì)在同一到達(dá)探測(cè)器時(shí)刻的時(shí)間出現(xiàn)。這個(gè)決定對(duì)應(yīng)于惠勒的延遲選擇。
什么也不做讓這條路徑仍然不平等的，而在一條路徑中添加一個(gè)延遲等于是路徑長(zhǎng)度相等的。
干擾出現(xiàn)
當(dāng)路徑是不平等的和光子一個(gè)接一個(gè)到達(dá)時(shí)，我們能告訴它們走了哪一條路。在這種情況下，它們就像粒子一樣。
當(dāng)兩個(gè)路徑長(zhǎng)度相等時(shí)，探測(cè)器不能告訴每個(gè)光子走的哪條路。在這種情況下，每個(gè)光子結(jié)束在一個(gè)已經(jīng)一次走了兩個(gè)路徑的超位中并會(huì)與本身干擾，顯示它的波動(dòng)性------即便如此，在我們傳統(tǒng)的思維方式中，它應(yīng)該作為一個(gè)粒子已經(jīng)進(jìn)入了和離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)的。做這個(gè)實(shí)驗(yàn)很多很多次，一種波的干擾模式特征出現(xiàn)。
維羅萊斯說(shuō)，因?yàn)樵?b>低地球軌道衛(wèi)星行駛速度是每秒約7公里，數(shù)學(xué)必須給出反射的光子一個(gè)"相對(duì)論提升"的說(shuō)明，這不是在基于地球的實(shí)驗(yàn)中的情況。
牛津大學(xué)的量子物理學(xué)家朱利奧·奇里別拉留下了印象。他說(shuō)，"這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明至少在一個(gè)約 3500 公里的距離上，量子理論的預(yù)測(cè)是仍然有效的。這個(gè)結(jié)果很可能是一系列的實(shí)驗(yàn)測(cè)試其中量子力學(xué)的基本特征將在越來(lái)越大尺度被探索的第一個(gè)"。
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