在观察之前,电子是一团混乱的可能性。就像隐喻的薛定ding的猫一样,只有当我们从隐喻的盒子中掀开盖子并仔细观察时,电子才会安放在原子周围的清晰位置。
现在,我们已经仔细研究了这种解决的确切过程。来自瑞典,德国和西班牙的一组物理学家通过对电场中所含锶离子的一系列快照进行拍摄,发现电子从“也许”到“现实”的转变并非完全无关。
在一个世纪的上半叶,相当清楚的是,我们在日常生活中所体验的宇宙并不像我们试图近距离观察时所看到的宇宙。
物理学中的奇异性的一个非凡后果是,物体只能使用称为叠加的几套概率来描述-直到我们用探针戳它们并用光轰击它们以确定它们的大小和性质来确定。
在我们的绝对经典世界中,这很难想象。甚至著名的物理学家欧文·薛定er(ErwinSchrödinger)第一次听到这个想法时都嘲笑了这个想法,他进行了一次思想实验,其中涉及一只想象中的猫,它既活又死,直到我们看到。
只有打开盒子并进行观察,至少在观察者眼中,猫的潜在生命才能维持或消失。
Schrödinger和Einstein一样发现它很愚蠢,但是从那以后,人们一次又一次地证明这只隐喻猫确实是对物理学工作方式的准确描述。
剩下的一个问题是,是否存在理想的量子测量之类的东西,它可以测量系统的各个方面而不会导致整个系统的整体崩溃成为最终答案。
在1940年代,美国-匈牙利数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)认为,测量量子系统的一部分(例如,电子在轨道上的位置)将为其产生足够的量子噪声,从而放弃其概率性。
几年后,德国理论物理学家格哈特·吕德斯(GerhartLüders)对冯·诺依曼的假设提出了质疑,指出即使某些粒子变得清晰,粒子可能性的某些不确定性质仍会存在。
尽管物理学家在理论上已经同意了吕德斯的观点,但要通过实验来衡量自然发生的某些行为而又不会相互干扰,这并不是最简单的实验证明。
研究人员将其定居在一个缺少电子的锶原子上,以一种无法捕获其余电子处于两个轨道中哪个的方式捕获离子的方式,使它们处于两者的弥散状态。
它或多或少地与许多量子计算机中使用的设置相同。激光然后迫使离子中的电子叠加运动,并通过检测当电子落回原位时发出的光来确认轨道中的电位移动。
只有在检测到光时,我们才能将电子的绝对位置锁定在适当的位置。
斯德哥尔摩大学物理学家Fabian Pokorny说:“每当我们测量电子的轨道时,测量的答案将是电子在较低或较高的轨道上,而从不在两者之间。”
“从某种意义上说,测量迫使电子决定它处于两种状态中的哪一种。”
当锶离子通过单独的激光旋转为不同状态时捕获大量光子,为研究团队提供了过程发展历程的图片,过程发生了百万分之一秒。
他们发现,量子系统从也许到实际上的过渡并不是绝对的事情。可以测量它的各个方面,例如电子的最终静止位置,同时不影响和确定其叠加的某些特征。正如吕德斯所说。
斯德哥尔摩大学的物理学家,首席研究员Markus Hennrich说:“这些发现为大自然的内部运作提供了新的思路,并且与现代量子物理学的预测相一致。”
而且,这种转变不是瞬间的。通过拍摄原子的快照,因为它的一个电子通过一个清晰的轨道,研究小组证明了这一变化是一个不断发展的过程,似乎从完全不确定性到特定轨道的转变是增加概率的问题,而不是一个突然的决定。
这不是第一个显示量子在电子可能性中跳跃的实验,而不是像“火山喷发”这样的展开过程,而不是开关。但这确实为这种变化的发生方式增加了一些有趣的细节,从而可以实现理想的测量。
可悲的是,这些都没有告诉我们,从量子可能性到清晰的测量的过渡,对事物的宏伟计划意味着什么,更不用说如何思考薛定ding那只可怜的猫了,它在黑暗中耐心地等待着。
我们所知道的是抬起这只可怜的动物的盖子并没有完全剥夺它的奥秘。即使它冒着比冯·诺伊曼(von Neumann)想象的速度慢的死亡风险。