中子的奇怪运动证明自然界从根本上是奇怪的

在最小的尺度上,我们对现实的直觉观点不再适用。这几乎就像物理学从根本上是优柔寡断的,当我们放大使我们的大学像素化的粒子时,这一事实变得越来越难以忽视。

为了更好地理解它,物理学家不得不设计出一种全新的框架把它放在里面,一个基于概率而不是确定性的东西。这是量子理论,它描述了各种各样的现象,从纠缠到叠加。

然而,尽管一个世纪的实验表明,量子理论在解释我们所看到的方面有多么有用,但很难动摇我们对宇宙构建块的“经典”观点,即宇宙的组成部分是时间和空间的可靠固定装置。甚至爱因斯坦是被迫的问他的物理学家同伴,“你真的相信吗月亮当你不看它的时候,它就不在那里吗?

几十年来,许多物理学家一直在问,我们用来描述宏观经验的物理学是否也可以用来解释所有的量子物理学。

现在,一项新的研究也确定,答案是一个大胖子。

具体来说,中子在光束中发射中子干涉仪可以同时存在于两个地方,这在经典物理学下是不可能的。

该测试基于一个称为Leggett-Garg不等式,它指出一个系统始终确定地处于它可用的一种或另一种状态中。基本上,薛定谔的猫要么是活着的,要么是死的,我们能够确定它处于哪种状态,而我们的测量结果不会影响。

宏观系统——那些我们可以仅使用经典物理学就能可靠地理解的系统——遵循Leggett-Garg不等式。但是量子领域的系统违反了它。猫既活着又死了,这是量子叠加的类比。

“它背后的想法与更著名的相似贝尔不等式,为此于 2022 年获得诺贝尔物理学奖,”物理学家伊丽莎白·克鲁兹格鲁伯(Elisabeth Kreuzgruber)说维也纳工业大学。

“然而,贝尔不等式是关于一个粒子的行为与另一个量子纠缠粒子的相关性有多强的问题。Leggett-Garg不等式只与一个单一物体有关,并提出了一个问题:它在特定时间点的状态与同一物体在其他特定时间点的状态有何关系?

中子干涉仪涉及向目标发射一束中子。当光束穿过设备时,它会一分为二,光束的每个插脚都行进不同的路径,直到它们后来重新组合。

Leggett 和 Garg 定理指出,在简单的二进制系统上进行测量可以有效地给出两个结果。将来再次测量它,这些结果将是相关的,但只能达到某个点。

实验示意图显示中子束在重新组合之前一分为二。(维也纳科技大学)

对于量子系统,Leggett 和 Garg 定理不再适用,允许相关性高于此阈值。实际上,这将为研究人员提供一种方法来区分系统是否需要量子定理才能被理解。

“然而,通过实验来研究这个问题并不容易,”物理学家理查德·瓦格纳(Richard Wagner)说维也纳工业大学。“如果我们想测试宏观现实主义,那么我们需要一个在某种意义上是宏观的物体,即其大小与我们通常的日常物体的大小相当。”

为了实现这一点,干涉仪中中子束的两部分之间的空间在一个比量子更宏观的尺度上。

“量子理论说,每一个中子都同时在两条路径上行进,”物理学家尼尔斯·吉里茨(Niels Geerits)说维也纳科技大学。“然而,两根部分光束相距几厘米。从某种意义上说,我们正在处理一个按照量子标准来说是巨大的量子物体。

研究人员使用几种不同的测量方法,在不同时间探测了中子束。而且,可以肯定的是,这些测量值的相关性太紧密,以至于宏观现实的经典规则无法发挥作用。他们的测量表明,中子实际上同时在两条不同的路径上行进,相隔几厘米的距离。

这只是一个最新的一长串的 Leggett-Garg 实验这表明我们确实需要量子理论来描述我们生活的宇宙。

“我们的实验表明:大自然真的像量子理论声称的那样奇怪,”物理学家斯蒂芬·斯波纳尔(Stephan Sponar)说维也纳工业大学。“无论你提出哪种经典的、宏观现实的理论:它永远无法解释现实。没有量子物理学,它就行不通。

该研究已发表在物理评论快报.

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