实验首次测试大质量的量子性质

由伦敦大学学院(UCL)领导的英国和印度科学家团队概述的一项实验可以测试相对较大的质量是否具有量子性质，从而解决量子力学描述是否适用于比粒子大得多的尺度的问题和原子。

量子理论通常被认为是在最微小的尺度上描述自然，而对于质量超过十亿分之一克或更准确地说是 10^(-20)g 的物体，在实验室中尚未观察到量子效应。

这项新实验发表在《物理评论快报》上，由伦敦大学学院、南安普顿大学和印度加尔各答玻色研究所的研究人员参与，原则上可以测试物体的量子性，无论其质量或能量如何。

所提出的实验利用了量子力学的原理，即物体的测量行为可以改变其性质。(术语“测量”涵盖物体与探头的任何相互作用——例如，光线是否照射到物体上，或者物体是否发出光或热)。

该实验的重点是像挂在绳子上的球一样摆动的钟摆物体。一束光照射在振荡区域的一半上，揭示有关物体位置的信息(即，如果没有观察到散射光，则可以得出结论，物体不在那一半中)。第二盏灯亮起，显示出物体进一步摆动的位置。

如果物体是量子的，则第一次测量(第一次闪光)将扰乱其路径(通过测量引起的塌缩——量子力学固有的属性)，改变它在第二次闪光时所处位置的可能性，而如果它是经典的，那么观察行为就没有什么区别。然后，研究人员可以将两次闪光的场景与仅发生第二次闪光的场景进行比较，看看物体的最终分布是否存在差异。

主要作者 Debarshi Das 博士(伦敦大学学院物理与天文学系和英国皇家学会)表示：“足球比赛中的观众仅仅通过强烈的凝视并不能影响比赛的结果。但对于量子力学来说，观察或测量行为本身就会改变系统。

“我们提出的实验可以通过观察观察行为是否会导致其运动发生变化来测试一个物体是经典物体还是量子物体。”

研究人员表示，该提议可以通过使用纳米晶体的现有技术来实施，或者原则上甚至可以使用美国 LIGO(激光干涉引力波天文台)的有效质量为 10 公斤的镜子来实施。

四块 LIGO 镜子每块重 40 公斤，但一起振动就像单个 10 公斤物体一样，已经被冷却到任何试图检测量子行为的实验所需的最小能量状态(绝对零以上的分数) 。

资深作者 Sougato Bose 教授(伦敦大学学院物理与天文学)表示：“我们的方案具有广泛的概念含义。它可以测试相对较大的物体是否具有确定的属性，即它们的属性是真实的，即使我们没有测量它们。它可以扩展量子力学的领域，并探讨这种基本的自然理论是否仅在某些尺度上有效，或者是否也适用于更大的质量。

“如果我们没有遇到量子力学的质量限制，那么试图将量子理论与我们所经历的现实相协调的问题就会变得更加尖锐。”

在量子力学中，物体在被观察或与其环境相互作用之前不具有确定的属性。在观察之前，它们并不存在于某个确定的位置，而是可能同时存在于两个位置(叠加状态)。这引出了爱因斯坦的一句话：“当没人看月亮时，月亮还在那里吗?”

量子力学似乎与我们的现实经验不一致，但它的见解帮助了计算机、智能手机、宽带、GPS 和磁共振成像的发展。

大多数物理学家相信量子力学在更大的尺度上是正确的，但由于保存量子态所需的隔离而更难观察。为了检测物体的量子行为，它的温度或振动必须降低到尽可能低的水平(基态)，并且它必须处于真空中，以便几乎没有原子与其相互作用。这是因为，如果物体与其环境相互作用，量子态将会崩溃，这一过程称为退相干。

这项新提出的实验是 Bose 教授及其同事在 2018 年设计的早期量子测试的发展。一个使用这种方法进行实验的项目已经在进行中，该项目将测试具有 10 亿个原子的纳米晶体的量子性质，该项目已经在进行中，并得到了资助由工程与物理科学研究委员会 (EPSRC) 和南安普顿大学领导。

该项目的目标已经是质量的飞跃，之前曾尝试测试仅限于数十万个原子的宏观物体的量子性质。与此同时，新公布的方案可以通过使用具有数万亿原子的纳米晶体的现有技术来实现。

这篇新论文由伦敦大学学院的 Das 博士和 Bose 教授、印度 Bose 研究所的 Dipankar Home 教授(他也是 2018 年论文的合著者)和南安普顿大学的 Hendrik Ulbricht 教授共同撰写。

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