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量子玄学再胜爱因斯坦】中微子实验打碎传统认知

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  • 量子论验证有新招中微子实验打碎传统认知

    量子玄学再胜爱因斯坦】中微子实验打碎传统认知

    主注入器中微子振荡实验探测器。 图片来源:R. Hahn/Fermilab

    来自一项中微子大型实验的数据显示,这种“神出鬼没”的亚原子必定同时是两种相互排斥的类型,这打破了人们对现实的感知。这一结论也是量子力学的基本原理。而这些理论通常是由高度受控的量子光学实验揭示的,而非无法探测的中微子。


    “如果你10年前告诉我,我们将能使用中微子研究量子论原理。我会说吸烟让你兴奋过头了。”未参与该研究的澳大利亚昆士兰大学物理学家Andrew White说,“这一结论完全不令人惊讶,但绝对有吸引力。因为它告诉人们有验证量子论原理的新系统。”


    根据量子论,极小的事物表现得一点都不像日常物品:与苹果不同,一个亚原子粒子可以同时在两个地方或表现出两种不同的类型。但这些双向“叠加”态是脆弱的。Measure表示,一个光子能同时在水平和垂直两个方向发生偏振,而且它也会在一个方向随机“崩塌”。


    此外,量子论还指出,光子的偏振并不存在,直到对其进行测量。但阿尔伯特·爱因斯坦摒弃了该理论,他认为物体的物理性质必须是“一个真实的元素”,存在于测量研究之外。为了拯救“现实论”,一些物理学家认为上述测量研究的结果被光子内部的一些“隐变量”所决定。

    1964年,英国物理学家约翰·贝尔提出了一种检验方法,可以区分出粒子行为到底是符合爱因斯坦的隐藏变量理论,还是处于量子力学的“幽灵作用”中。他计算发现,隐藏变量所能解释的相关性有一个最大值。如果超过了这个值,爱因斯坦的模型就一定是错误的。贝尔不等式的诞生,宣告了量子理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

    去年,荷兰和美国物理学家进行了第一个可以同时解决“探测漏洞”和“通信漏洞”的贝尔实验。该团队使用了一种称为“纠缠交换”的巧妙技术,可以将光子与物质粒子的优点结合在一起。在9天内,该小组总共产生了245对互相纠缠的电子,最终测量结果表明两个电子之间的相关性超过了贝尔极限,再一次支持了标准量子力学的观点。这也似乎宣告隐变量理论出局。


    实际上,1985年,现供职于美国西北大学的理论学家Anupam Garg和伊利诺伊大学的Anthony Leggett就提出了一条完全不同的解决途径:与其尝试“验证”量子理论,不如设法证明量子理论以外的所有解释都与实验观测相矛盾,因而排除它们。Leggett和Garg发现在不同时刻对同一物体的测量只能在一定程度上具有统计学的相关性,并创立“莱格特-加格不等式”。


    2011年,White和同事证实量子光子具有高强度相关性,尽管只是在平均值上,而且并非使用单光子。现在,麻省理工学院中微子物理学家Joseph Formaggio研究团队使用费米国立加速器实验室主注入器中微子振荡(MINOS)实验数据提供了证据。该实验让谬子中微子的束流穿过位于费米实验室的MINOS近程探测器,然后到450英里以外位于明尼苏达州的远程探测器。

    中微子出现了3种类型。从费米实验室出发的是谬子中微子,在途中主要震荡成电子中微子。MINOS并没有反复测量单个中微子,但每种中微子始于相同的状态,只是随着离开费米实验室的时间发生演变。

    MINOS没有测量距费米实验室不同距离的中微子,因此Formaggio等人无法直接将这与不同飞行时间所得的测量值进行对比。因此,该研究组分析了以不同能量到达明尼苏达州的谬子中微子数量的等值相关性。

    研究人员观察到了Leggett和Garg预测的强相关性,并于近日将相关成果发表于《物理评论快报》。“正如我们所料,有很明显的效果。”Formaggio说,该数据强调中微子没有“种类”直到它被实际测量出来。


    Garg表示,这一结论并不令人惊讶,正如中微子振荡是量子力学的固有机制。但他还指出,探索量子论和经典世界的冲突是一个新领域。

    Formaggio和White表示,下一步,研究人员将确定中微子能否以另外一种方式检验量子论。Garg还希望有人能推动他与Leggett提出的原始理论:“宏观实在论”,即足够大的物体在同一时间只能在同一个位置(即宏观叠加态不可能存在);人们可以准确测定这一物体的位置,而不会干扰它。

    无论如何,正如澳大利亚昆士兰大学物理学家Alessandro Fedrizzi提到的那样,到底什么才是真正的事实?而真正令人激动的是设计出检验事实上是否有任何客观实体存在的测试。(张章)

    《中国科学报》 (2016-07-25 第3版 国际)

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    网友评论:

    接下来是不是就是量子神学了?

    宏观实在论

    每个字都是汉字,连起来却看不懂,有没有通俗一点的说法

    量子力学只能解释现象,不能解释为什么把,到底为什么这么神奇呢


    其实我们所说的为什么也只不过是现象而已



    宇宙太过神奇
    为什么物质要以物质波这么玄妙的形式存在呢,感觉正常一点的物质也没什么吧。


    运算精度问题吧

    完了,爱因斯坦不但国防理论一窍不通,物理学也被否定岂不就是祸国殃民的骗子了?

    学习一下。

    在微观量子世界中,存在很多奇怪,甚至是反直觉的现象。其中量子态叠加可能是最奇怪的一种——粒子可以同时处于不止一种状态。例如,根据量子力学,同一时刻,电子自旋方向可以既是顺时针又是逆时针,或者同时处于激发态和基态。

    80多年前,埃尔文·薛定谔通过被后世称为“薛定谔的猫”的思想实验,首次揭示了量子状态叠加这一现象造成的奇怪后果:一只猫被关在盒子里,盒子中有一个辐射源,辐射源具有量子状态叠加性——极可能会放出中子也可能不放出中子。如果辐射源发射一个中子,那么盒子放出毒气杀死猫;如果辐射源没有发射中子,那么盒子里没有毒气,猫活着。因为猫的死活取决于辐射源,而辐射源又是处于辐射和不辐射的叠加态,因此猫也处于“死”和“活”的叠加态。

    此后,物理学家通过一系列实验证实,亚原子尺度下,粒子确实存在量子状态叠加这一特性。但是,一个始终没有解决的问题是:在大尺度物理现象中,可以观察到量子状态叠加特性吗?

    不久前,麻省理工学院的物理学家发现,中微子在飞行数百千米后,还可以处于量子叠加状态,该成果将于本月晚些时候发表在《物理综述快报》上(PhysicalReview Letters)。这项成果创造了量子界的长度记录。

    一场说走就走的亚原子旅行

    中微子是一种亚原子粒子,几乎不与物质发生作用,它们每时每刻穿越你的身体,但你不会有任何感觉。此外,中微子还可以震荡,并在几种亚型之间转换。研究团队以中微子的震荡数据为研究对象。

    麻省理工研究团队从费米国家加速器实验室(Fermilab)的中微子震荡研究项目(Main Injector Neutrino Oscillation Search, MINOS)获得了数据。这些中微子在芝加哥附近的一个设施中,通过其他高速运动的粒子与靶标碰撞而产生,并被在735千米外的明尼苏达州速旦地区的探测器记录。尽管中微子离开芝加哥时是一种状态,但是他们会在去明尼苏达的路上震荡,变成另一种状态。

    麻省理工团队研究了芝加哥产生的中微子和到达明尼苏达的中微子的状态,发现状态变化可以用量子力学解释:大多数中微子在飞行中处于一种叠加态——即它们在飞行中没有确定的状态。

    此外,科学家发现,中微子的行为跟经典物理体系下的物体运动规律极其不同。具体地,这些数据不能用爱因斯坦提出的“物体在某时刻只能处于一种状态”理论来解释。

    麻省理工学院加墨哈森(Germeshausen)物理学和科学史学教授戴维德·凯撒(David Kaiser)表示,之前主流理论认为,量子物理只能适用于小尺度物理现象。但是研究结果表明,某些粒子经过大空间尺度传播后,仍然可以保持量子特性。这个发现是颠覆性的。

    本篇论文是由凯撒、麻省理工学院物理学教授约瑟夫·福马果(Joseph Formaggio)、本科生泰利雅·维斯(Talia Weiss)和已经毕业的硕士尼古拉·明斯基(Mykola Murskyj)共同发表的。

    确定态还是叠加态?

    科学家利用莱格特-皋格(Leggett-Garg inequality)不等式分析了中微子数据,以期检测一个经典物理系统或量子物理系统能否具有不少于2个的状态。

    当年,物理学家莱格特和皋格发现,一个服从量子力学的系统和一个服从经典物理的系统,其测量结果通过统计分析后的结果会出现差异。具体地,如果系统服从量子力学,而不是处于爱因斯坦所说的“确定态”,那么随时间的推移,该系统的统计相关性会发生变化。

    福马果稍微改造了一下这个不等式,使得这个不等式的自变量从时间变成了中微子的能量。在MINOS实验中,产生的中微子能量在很大范围内分布,而这些数量巨大的中微子中只有一小部分被探测到。

    根据福马果的分析,到达探测器的中微子的状态应当由中微子诞生时的能量决定。此外,中微子若服从爱因斯坦的“确定性原理”,那么其状态分布是一种形态;如果中微子服从量子力学的叠加原理,那么其状态分布是另外一种状态。

    大尺度,一样看得到量子叠加

    科学家利用莱格特-皋格不等式的变形,分析了中微子震荡数据,结果发现,数据符合量子叠加所规定的情况,而完全不符合爱因斯坦“确定性原理”描述的情况。因此,中微子在飞行中处于量子叠加态。

    但是怀疑者指出,若粒子在每个时刻都有确定的状态,只不过随时间推移不断变化,那么它们符合爱因斯坦的“确定性原理”,但数据分析会得到同样的结果。此外,数据会不会由于仪器的瑕疵而出现问题?凯撒表示,怀疑者指出的情况不是没有可能,但是可能性不会大于10亿分之1。

    如果中微子确实在飞行中处于量子叠加态,为什么?未参加该项研究的西北大学教授安德烈·德·戈威亚表示,可能是因为中微子飞行太快。根据相对论,高速运动的物体,在物体之外的观察者看来,其时间会变慢。因此中微子经过的时间太短,来不及脱离量子叠加态。他补充到,该实验结果和之前的许多实验结果一道,都支持这样一个理论:量子力学在所有空间尺度上成立,尽管这个结论有点令人吃惊。

    凯撒表示,由于量子力学非常精确,同时在如此多的环境下成立,因此他决心在尽可能大的空间尺度上测试量子力学是否成立。这将很有可能再次扩大了量子力学的适用范围。

    该项目已获得了美国能源部的部分资助

    http://zhuanlan.zhihu.com/p/21765317

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