薛定谔|量子态原子不同于“薛定谔的猫” 量子力学|科学家

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最近量子物理的实验记录再次证实了原子在运动中“不走寻常路” ，它们“脚踩两只船”或在同一个时间在两个地点出现，设想一下，在同一时刻，同一个微小球体落在了我们的指尖和肩膀上，大多数人难以想象同一个物体同时出现在两个地方，比如：如果马老师在“双十一”购物节同时出现在杭州的阿里巴巴总部和北京的水立方，人们就会判定一个马老师为真，另一个马老师为假， “分身术”是魔术师的本领，明星可以找到替身演员，总能找到最像马老师的人，但真正的马老师只有一个。人们调动自己的每一个脑细胞也难以解开原子运动的奥秘，物理学家仅展示了原子0.5米范围的同时效应，仅半米的距离就改写了之前的记录。
【薛定谔|量子态原子不同于“薛定谔的猫”】原子运动轨迹的同时性是量子叠加效应的一个例子，量子的重合或叠加概念是指一个物体粒子在同一时间出现了两种物理状态。粒子的两种量子态叠加在一起，直到被观测时才能确定其中的一种量子态是真实的，量子态的确定属性被称为波函数的塌缩或从不确定的量子态转变为确定的量子态。原子的量子态不确定性原理也适用于“薛定谔的猫” ，在箱子中用于实验的猫无法确定其生死状态，从理论上讲似乎是一只半死不活的猫，直到打开箱盖的时刻，实验人员才能确定这只猫要么死了，要么活着。
人们时常认为，量子力学仅应用在亚原子粒子领域，但并没有理论上的限制，量子力学的应用范围也许比人们的想象更为广泛。物理学家在实验中试图找到量子力学在日常生活领域的应用，存在量子力学应用过度和转化的可能性，斯坦福大学的马克·卡什维奇解释说，可能存在某种作用机制，叠加的量子态转化为宏观物体的经典状态。
为了找到某种作用机制的解释，卡什维奇和同事创制了一种博斯—爱因斯坦凝聚态 (BEC)，这是10000个鉫原子组成的气体云，所有鉫原子处于同一的量子态。实验人员使用激光束冲击鉫原子气体云，它们被注入一个几毫米宽、10米高的实验仓，鉫原子渐渐地被推向两种分离的量子态。当BEC被推向实验仓的顶部时，它的波函数处于两种量子态的混合，两种量子态的几率为50：50 ，在实验仓的顶部，鉫原子气体云的混合态出现了54厘米距离的分离，两种量子叠加态保持了大约1秒钟时间。实验仓的鉫原子气体云开始下降，到达实验仓的底部，激光束的冲击将两种叠加态转变为一种量子态。鉫原子似乎从两种不同的高度到达了底部，从而证实了BEC在实验仓的顶部处于两种叠加态的混合。
以前的实验显示，两种叠加态发生在更小的距离和更少的时间上，以往的记录表明，两种叠加态仅发生在1厘米的距离和四分之一秒的时间上，卡什维奇的团队将这一记录扩大到人体的尺度。以前的实验从未做到这点，科学团队的实验确立了较大的分离距离。为了实现鉫原子从实验仓顶部到底部的滑落，实验仓被冷却到接近绝对零度的低温，按照地球的旋转速度，每分钟调整实验仓BEC的轨迹。
德国杜伊斯堡-埃森大学的克劳斯·霍恩伯格解释说，实验团队探索了未知世界，实验取得了突破，但不是最终的结果。 2013年，在霍恩伯格的指导下，科研人员设计了一套“离奇尺度”的实验装置，实验显示出量子效应从微观尺度延伸到人们在日常生活中感知的尺度。卡什维奇的科学团队在实验中延伸了量子效应作用的距离，但与之前的记录相比还有某种尺度的限制，量子实验取得的成果不足以证明“薛定谔的猫”是一个真实的猫。《自然》杂志介绍了卡什维奇实验团队的成果。
（编译：2015-12-29）