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测试宏观物体的量子性质

科学探索万象经验2024-01-23

为什么我们只能观察到微观粒子的量子行为,而不是宏观物体呢?这是一个非常有趣的问题,也是物理学家们一直在探索的一个重要课题。量子力学是我们目前最成功的物理理论之一,它可以准确地描述原子、分子、光子等粒子的行为。然而,当我们试图将量子力学应用到更大的物体时,我们就遇到了一些困难和悖论。

例如,根据量子力学,一个物体可以处于两个或多个不同的状态的叠加,这就是所谓的量子叠加。这意味着,一个物体可以同时在两个或多个不同的位置、动量等。这在微观尺度上是可以观察到的,但是在宏观尺度上,我们从来没有看到过一个足球同时在两个或多个不同的位置。这就是所谓的量子-经典转换,那么是什么导致了这种转换呢?是物体的大小、质量、温度、相互作用、测量还是其他什么因素呢?这些都是物理学家们想要回答的问题。

为了回答这些问题,我们需要设计一些实验,来测试宏观物体是否具有量子性,即是否能够表现出量子叠加等现象。然而,这并不容易,因为宏观物体通常受到很多噪声和干扰的影响,这会破坏它们的量子状态,使它们变得经典化,这就是所谓的去相干。因此,我们需要找到一些方法,来保护宏观物体的量子性,或者至少能够在去相干之前检测到它们的量子性。

最近发表的一篇论文提出了一种新的方案,来测试一个任意大的质量的物体的量子性,而不受其质量、动量、频率等参数的限制。这种方案的基本思想是,利用一个谐振子系统,作为一个宏观物体的模型,然后用两种不同的方式来测量它的位置。

第一种方式是用一个弱的激光束来散射它,从而得到它的一个粗略的位置信息,这就是所谓的弱测量。第二种方式是用一个强的激光束来散射它,从而得到它的一个精确的位置信息,这就是所谓的强测量。然后,我们比较这两种测量的结果,看看它们是否一致,或者是否存在一些偏差。

如果它们一致,那么我们就可以认为这个物体是经典的,即它的位置是确定的,而不是叠加的。如果它们存在偏差,那么我们就可以认为这个物体是量子的,即它的位置是不确定的,而是叠加的。这就是我们用来测试物体的量子性的一个标准,这个标准叫做宏观现实性。

宏观现实性的概念是这样的:如果一个物体在任意时刻都有一个确定的状态,而且这个状态不受我们是否观察它的影响,那么我们就说这个物体满足宏观现实性。这是一个很自然的假设,因为我们在日常生活中经常遇到这样的物体,例如,一张桌子、一本书、一辆汽车等。然而,量子力学告诉我们,这个假设并不总是成立的,因为有些物体的状态是不确定的,而且这个状态会受到我们的观察的影响,这就是所谓的测量塌缩。这些物体就不满足宏观现实性,而是表现出量子性。因此,宏观现实性是一个可以用来区分经典和量子的一个重要的标准。

那么,如何用数学的语言来表达宏观现实性呢?我们可以用一个不等式来表示,这个不等式叫做Leggett-Garg不等式(LGI)。这个不等式的形式是这样的:K≤1,其中,K是一个由三个相关函数组成的一个量。这个不等式的意义是,如果一个物体满足宏观现实性,那么它的K值一定小于或等于1,无论我们用什么方式来测量它。

这是一个很强的约束,因为它不依赖于物体的具体的动力学或测量方式,只依赖于物体的状态是否确定。然而,如果一个物体不满足宏观现实性,那么它的K值可能大于1,这就是一个量子的特征,因为它违反了经典的逻辑。因此,如果我们能够观察到一个物体的K值大于1,那么我们就可以认为这个物体是量子的,而不是经典的。这就是我们用来测试物体的量子性的一个方法。

然而,这个方法并不容易实现,因为它需要满足一些条件,才能有效地工作。首先,我们需要能够对物体进行多次的测量,而不影响它的状态,这就是所谓的非破坏性测量。这是一个很难实现的条件,因为通常来说,测量会对物体产生一些扰动,从而改变它的状态,这就是所谓的测量后效应。为了避免这个问题,我们需要用一些很微弱的测量方式,例如,用一些很弱的激光束来散射物体,从而只获取它的一些部分信息,而不是完整信息。这就是第一种测量方式,即弱测量。

第二个条件是,我们需要能够对物体进行两种不同的测量,一种是弱测量,另一种是强测量,然后比较它们的结果,看看是否存在偏差。这是一个很重要的条件,因为如果我们只用一种测量方式,那么我们就无法判断物体的状态是确定的还是不确定的,因为我们没有参照物。例如,如果我们只用弱测量,那么我们就只能得到物体的一个粗略的位置信息,但是我们无法知道这个位置信息是否准确,或者是否存在其他的可能的位置。同样,如果我们只用强测量,那么我们就只能得到物体的一个精确的位置信息,但是我们无法知道这个位置信息是否是物体本来就有的,或者是否是由于我们的测量而产生的。因此,我们需要用两种测量方式,然后对比它们的结果,看看是否一致,或者是否存在偏差。

第三个条件是,我们需要能够对物体进行多次的重复测量,然后统计它们的结果,从而计算出K值,然后判断它是否大于1,从而判断物体是否具有量子性。这是一个很必要的条件,因为如果我们只对物体进行一次测量,那么我们就无法得到一个可靠的K值,因为它可能受到一些随机的误差或噪声的影响。因此,我们需要对物体进行多次的重复测量,然后取平均值,从而得到一个稳定的K值,然后判断它是否大于1,从而判断物体是否具有量子性。

这三种测量方式的组合,就构成了论文提出的一种新的方案,来测试一个任意大的质量的物体的量子性,而不受其动量、频率等参数的限制。这种方案的优点是,它可以适用于任何类型的物体,无论它是一个谐振子、一个自旋、一个光子、或者其他什么物体,只要它可以被用一个二值的量来描述,就可以用这种方案来测试它的量子性。这种方案的缺点是,它需要满足一些很苛刻的条件,例如,非破坏性测量、弱测量、强测量、重复测量等,这些条件在实验上可能很难实现,或者需要很高的精度和稳定性。因此,这种方案虽然在理论上很有趣,但是在实践上还有很多的挑战和困难。