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2025年高考微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現(xiàn)實

來源:網(wǎng)絡(luò)整理 2024-12-12 08:59:58


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  微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現(xiàn)實

  根據(jù)“隨機(jī)漫步”理論,每完成一階段的拋硬幣后確定的位置,很少出現(xiàn)偏離原始出發(fā)點太左或太右的情況。

  你扔出一枚硬幣,硬幣要么正面朝上,要么背面朝上。但是在微觀情況下,事情并非完全那么確定。如果你扔出的是一枚“原子”硬幣,那么你得到的可能是一種正面和反面的疊加態(tài)。但是,這樣的情況只是發(fā)生在你不在觀察硬幣的時候。如果你去觀察,呈現(xiàn)在你眼前的可以是正面也可以是反面,隨你喜歡而定。如果你像拋硬幣一樣扔出一個量子粒子,你就會看到不同尋常的效應(yīng)。德國波恩大學(xué)的物理學(xué)家首次在銫原子實驗中展示了這種效應(yīng)。他們的研究結(jié)果刊登在7月10日出版的《科學(xué)》雜志上。

  我們來假設(shè)下面的實驗:將一枚硬幣放在一名測試者手中,我們權(quán)且將這名測試者叫做小王,小王現(xiàn)在的任務(wù)就是把硬幣多拋幾次。當(dāng)硬幣正面朝上時,小王就向右跨一步;相反,當(dāng)硬幣背面朝上時,小王就向左跨一步。小王拋完10次硬幣后,我們來觀察小王的位置在哪里。這時,我們會看到小王距離第一次拋出硬幣的地方并不會太遠(yuǎn),因為通常情況下硬幣出現(xiàn)正面和反面的機(jī)會大致相等。如果小王想要拋完10次硬幣后,往右走出10步,這樣的情況一般都不會發(fā)生。

  我們再來假設(shè)小王是一個非常耐心的人。他非常耐心地成功拋完了1000次硬幣。每走一步,他都會記下自己的位置。當(dāng)實驗結(jié)束時,我們將結(jié)果做成一個圖表,得到的將會是一個典型的鐘形曲線(亦稱正態(tài)分布曲線)。每扔完10次,小王都會發(fā)現(xiàn)自己接近于原始出發(fā)點,很少發(fā)現(xiàn)自己偏離原始出發(fā)點太左或太右。

  這個實驗被稱為“隨機(jī)漫步”,這種現(xiàn)象可在許多現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域(如布朗運動)中發(fā)現(xiàn)。在量子物理世界中,類似現(xiàn)象則有一個新的有趣特性,叫做“量子漫步”。直到目前為止,量子漫步或多或少還只是一個理論架構(gòu),現(xiàn)在,波恩大學(xué)的物理學(xué)家終于首次實際執(zhí)行了這樣的量子漫步。

  實驗通過使用激光束組成的光鑷操縱一個銫原子來實現(xiàn),激光束同時扮演漫步者和硬幣的角色。銫原子能呈現(xiàn)出不同的量子力學(xué)態(tài),這有點像硬幣的正面或是反面朝上。但在微觀層面,情況要稍許復(fù)雜一些,因為量子粒子能夠以不同狀態(tài)的疊加態(tài)存在。這種情形基本上就是一種“有一點正面朝上,又有一點反面朝上”的狀態(tài)。物理學(xué)家將其稱為“態(tài)疊加”。

  通過使用激光束組成的傳送帶,波恩大學(xué)的物理學(xué)家將銫原子拉向兩個相反方向,“正面”部分向右,“反面”部分向左,如此將兩個狀態(tài)分開了近數(shù)千分之一微米。之后,科學(xué)家們再次“拋出硬幣”,將兩種狀態(tài)的每一個都變成了正面和反面的疊加態(tài)。

  銫原子經(jīng)過數(shù)次這樣的“量子漫步”后就基本上延伸到了任何地方。只有當(dāng)你去觀測時才會得到確定的位置。其位置的出現(xiàn)概率主要由量子力學(xué)的第二效應(yīng)決定。這是基于原子的兩個部分能自我加強(qiáng)或是自我毀滅,光物理學(xué)家稱這種現(xiàn)象為干擾。

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