再次突破:證明“非牛頓量子力”的存在,還會影響粒子飛行!

內布拉斯加州的赫爾曼·貝特拉安(Herman Batelaan)和同事最近提交了一篇研究論文,證明了“非牛頓量子力”的存在,其研究發表在《自然通訊》上。畢竟,這個詞長期以來一直屬於經典的牛頓物理學:反作用力、電磁學、引力和其他解釋日常生活中令人頭暈目眩現象的定律。相比之下,Batelaan和合著者是在量子物理學的背景下使用這個詞,量子物理學描述的是無窮小。

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亞原子粒子的位置和速度是由機率而不是精確的值來定義。電子同時表現得像粒子和波,其他違反直覺的模糊性統治著這個領域。這個領域在1959年變得更加模糊,當時提出的一項實驗表明,僅僅是接近經典力(而不是力本身)就可以把自己強加於物理世界。在實驗中,兩股電子流沿著線圈的任意一邊運動,線圈的磁場完全遮蔽了這些電子。儘管兩種電子流都沒有穿過實際的磁場,但研究人員斷定,電子的量子機率將發生可測量的變化,這取決於磁場的強度。

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後來的實驗證實了這種所謂的阿哈羅諾夫-玻姆效應存在。但是,如果這種奇怪效應的存在是無可爭辯的,那麼它的性質就不是。安東·澤林格(Anton Zeilinger)是巴特拉安的博士後顧問之一,他引入了一個定理,表明阿哈羅諾夫-玻姆效應並不代表或產生於力。到那時,貝特拉安等人隨後的實驗證實了這種效應並沒有延遲電子到達的時間(這是一種力的作用)澤林格定理得到了廣泛的支援。然而,在澤林格提出他的定理數年後:

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物理學家安德烈?謝蘭科夫(Andrei Shelankov)和邁克爾?貝里(Michael Berry)反駁了這一觀點,他們聲稱,阿哈羅諾夫-玻姆效應(Aharonov-Bohm effect)確實來自於力的量子當量。即使這個力沒有減慢電子的速度,Shelankov預測它也可以透過使電子輕微偏轉來改變它們的飛行軌跡。內布拉斯加州物理學和天文學教授貝特拉安(Batelaan)說:你可以自己理解每種理論的推導過程。看起來都對,但它們之間有衝突,所以我們絞盡腦汁想出一個理論。

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給出了兩個答案,才明白必須有一個更大的框架。它要求解決理論上的衝突,故它請求做一個實驗。因此,巴特拉安和同事們,包括前博士顧問瑪麗亞?貝克爾(Maria Becker),給自己設定了一個崇高的目標:在證明謝蘭科夫的預測的同時,也要適應澤林格定理。在安特衛普大學(University of Antwerp)進行實驗與之前的許多實驗類似:電子束向一根奈米尺度的棒狀物體運動,棒狀物體的磁場受到了粒子“遮蔽”。

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當磁棒的磁化強度為零時,電子從磁棒上彈回後形成的波狀圖案(類似於水裡重疊的波紋)是對稱的。然而,當研究小組加大磁化強度時,這些衍射圖樣就變成了不對稱的間接證據,證明非牛頓力推動電子向左或向右運動。正如研究小組所預料的那樣,磁化方向的反轉也會反轉不對稱的方向,這進一步支援了量子現象的觀點,量子現象可以以類似於經典牛頓力的方式影響物質。至於齊靈格定理呢?

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根據研究小組分析,他所做的理論假設並不適用於研究中所暗示的側向運動。鑑於此,Batelaan說,這項研究並沒有使Zeilinger失效。相反,該團隊用數學方法證明了shelankov預測結果和Zeilinger定理是一個整體定理的兩個特例。Batelaan粗略地將這種情況比作一個球開始在一個平的平臺上滾動。在一個平面上,即使球的速度和到達時間保持不變,這個平臺的緩慢升降也能改變球的運動目標。從平臺上往下看,觀察者可能看不出發生了什麼變化;只有在改變視角之後,它才會變得明顯。

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視角問題也影響了這項研究的解釋,經典力在區域性作用,隻影響與這些力相鄰的物質。但是量子力學——特別是量子糾纏,即一個粒子的變化同時表現在另一個理論上可能在光年之外的糾纏粒子上——不受距離的限制。該小組的研究結果可以解釋為類似非“區域性”經典力存在的證據。在這裡,我們有一個非局域的情況,但不像量子糾纏,這是一種單粒子現象,而不是兩粒子現象。那麼,沒有外力的情況下會發生什麼呢?這是非常罕見的,而且非常非常特別。

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這強調了自然可能是非區域性的,這是個大問題,我在這裡做的事情會影響到其他地方的事情嗎?沒有一個明確的中介?儘管巴特拉安已經找到了證據,但這並不意味著他必須喜歡它。像我生活在古典世界,我看到周圍發生的一切都是因為力。如果有些事情沒有外力,為什麼我不能使用它們?為什麼沒有更多這樣的例子呢?作為一個物理原理,它必須無處不在,但我們(可能)太盲目了,看不到它。

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博科園|研究/來自:內布拉斯加大學林肯分校

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10。1038/s41467-019-09609-9

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