实验可以首次测试大质量的量子性质

由UCL(伦敦大学学院)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，解决量子力学描述是否在比粒子和原子大得多的尺度下工作的问题。

量子理论通常被视为在最小的尺度上描述自然，量子效应尚未在实验室中观察到质量超过约五分之一克(更准确地说是10^(-20)g.)的物体

这项新实验发表在2007年的一篇论文中物理评论快报UCL大学、南安普敦大学和印度加尔各答的玻色研究所的研究人员参与其中，原则上可以测试物体的数量，而不管其质量或能量如何。

拟议的实验利用了量子力学中的原理，即对物体的测量行为可以改变其性质。(测量一词包括物体与探针的任何相互作用，例如，如果光照射到物体上，或者物体发出光或热)。

实验的重点是一个钟摆状的物体，像一个球在弦上一样摆动。一束光照射在振荡区域的一半上，显示出关于物体位置的信息(即，如果没有观察到散射光，则可以断定物体不在这一半中)。第二道光照射下来，显示出物体在摆动过程中的位置。

如果物体是量子的，第一次测量(第一次闪光)将干扰它的路径(通过测量引起的坍缩-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，那么观察行为将没有任何区别。然后，研究人员可以比较两次照明和第二次照明的场景，看看物体的最终分布是否有差异。

第一作者德巴斯·达斯博士(UCL物理学和天文学以及皇家学会)说:“足球比赛中的人群不能仅仅因为盯着看就影响比赛结果。但是有了量子力学，观察或测量的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物体运动的变化来测试物体是否是经典或量子的。”

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现，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10千克的镜子来实现。

四个LIGO镜每个重40公斤，但一起振动时就像是一个10公斤重的物体。它们已经被冷却到最低能量状态(比绝对零度高一点点)，这是任何试图检测量子行为的实验所需要的。

资深作者Sougato Bose教授(UCL物理学和天文学)说:“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明确的属性，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，并探索这一自然基本理论是否仅在特定尺度下有效，或者是否对更大质量也适用。

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

在量子力学中，物体直到被观察到或与环境相互作用时才具有确定的属性。在观察之前，它们并不存在于一个确定的位置，而是可能同时存在于两个地方(叠加状态)。这导致了爱因斯坦的一句话:“当没有人看月亮时，月亮在那里吗?”

量子力学似乎与我们对现实的经验不一致，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。

大多数物理学家认为量子力学在更大尺度下成立，但由于保持量子状态需要隔离，因此更难观察。要检测一个物体的量子行为，它的温度或振动必须降低到尽可能低的水平(基态)，并且必须处于真空中，这样几乎没有原子与之相互作用。这是因为如果物体与其环境相互作用，量子态将崩溃，这一过程称为退相干。

这项新提出的实验是玻色教授及其同事在2018年设计的早期量子测试的发展。由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)资助并由南安普顿大学领导的一个项目已经在进行中，该项目使用这种方法进行实验，测试由10亿个原子组成的纳米晶体的量子性质。

该项目已经旨在实现质量的飞跃，此前曾试图测试限制在数十万个原子范围内的宏观物体的量子性质。与此同时，最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当前技术来实现。

这篇新论文由达斯博士和UCL大学的博斯教授以及印度博斯研究所的迪潘卡尔·霍姆教授(他也是2018年论文的合著者)和南安普顿大学的亨德里克·乌尔布利特教授共同撰写。

来源: Materials provided by University College London.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Debarshi Das, Dipankar Home, Hendrik Ulbricht, Sougato Bose. Mass-Independent Scheme to Test the Quantumness of a Massive Object. Physical Review Letters, 2024; 132 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.030202