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量子达尔文主义迎首次验证!潘建伟等科学家完成实验

2019-08-15 点击:744
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达尔文,爱因斯坦,如果你与这两个人的智慧相撞,你会得到什么?

一种称为“量子达尔文主义”的理论可以被视为这样一种结果。

这一理论是由波兰裔美国物理学家Wojciech Zurek教授提出的。 Zurek教授在20世纪90年代开始研究量子力学。基于“环境退相干”理论,他首先提出量子达尔文主义,旨在统一微观世界的量子理论和宏观世界的经典物理理论。矛盾(经过长时间的讨论后,这些矛盾甚至跨越了哲学领域),并在PRL和自然物理学的顶级物理学期刊上发表,向世界展示了这一神奇的理论。

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简而言之,“量子达尔文主义”认为,我们所知道的经典物理中物体的众所周知的性质已经“确定”了时间和空间属性,例如位置和速度,它们实际上是在量子力学中被“选择”的。就像自然选择一样。

尽管该理论已存在很长时间,但量子达尔文主义直到最近才得到实验验证,来自中国,意大利和德国的研究小组独立完成了自己的验证。其中一项验证测试由中国科学家潘建伟领导的团队完成。

随着这些验证的实现,统一微观和宏观的新可能性正逐渐在人类文明面前展开。

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说到量子物理学,我们通常将其与“形而上学”联系起来,主要是因为人们的日常生活中无法感受到量子力学的存在。在20世纪之前,以牛顿力学为代表的经典物理学原理主导了人们对物理世界的理解,人们相信一切都应该在确切的时间具有其确切的位置。

直到Max Planck,Albert Einstein,Niels Bohr和Werner Karl Heisenberg等量子力学的先驱们建立了量子力学的基础并开辟了量子力学的神奇领域。

通过存在于原子和子原子大小中的一系列魔法现象,他们宣称了微观世界中经典物理学的失败,并推导出许多经典的量子力学理论。

可以说,概率,不确定性和状态叠加是量子力学的主题。例如,不可能为电子(或其他微小粒子)定义一个确定的位置,但只能确定一系列地方出现多少电子概率,因此我们使用“电子云”来定义电子在核外的位置。

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总之,控制微观世界的量子物理学遵循不确定性原理,解释了宏观世界的经典物理学,但却追求确定性。

现实世界由一个原子组成,遵循经典物理原理,并在原子水平上考虑,遵循量子力学。两者如何统一?换句话说,原子尺寸的量子力学如何集中于经典物理原理?

物理学家将这种突变称为“量子经典变换”。但事实上,不同尺度的世界将遵循不同的基本原则,或者两者之间应该存在这样的暴力过渡,而且它一直是理论术语。

达尔文的理论如何进入量子场?

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在过去的几十年里,科学家一直试图通过粒子或其他微观系统与周围环境的相互作用来解释量子力学如何不可避免地演变成经典力学,并取得了许多显着的理论成果。

最经典的解释是“哥本哈根解释”,它结合了几位物理学家的观点,他们的主要焦点是“波函数崩溃”。其中,哥本哈根解释说波函数代表量子场中事物的发展状态,并以概率的形式呈现。就像萨宾宁的快递中的电子产品一样,该州是一个波浪功能。百分之五十可能是好的,百分之五十是坏的,整个州是“百分之五十是好,百分之五十是坏”的叠加。

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想知道快递中的电子产品是好还是坏,你需要打开这个盒子来查看,当我们看电子产品的状态会从的好坏改变为到某种状态,这是波函数的崩溃。

在历史上,还有一个着名的思想实验“薛定谔的猫”,这是相同的原则。

通过这两个例子,不难看出量子力学中的量子系统通常不能用某种状态描述它们,并且只能用多种可能的状态及其各自的可能性来描述它们。此外,必须测量系统状态的准确确定,测量本身可能会对结果产生影响,导致“波函数崩溃”。事实上,“波函数崩溃”理论也解释了量子力学的不确定性与宏观物理学的确定性之间的联系。

在这里,让我们回想一下如何建立这种联系:在快递的情况下,它是通过拆除和查看建立的。在“哥本哈根解释”中,这被称为经典仪器的测量,这种测量将对系统的不确定性产生影响。

随之而来的问题是,为什么在测量仪器时系统波函数会崩溃,收缩定律是什么?

有许多物理学家试图解释这种现象。最具代表性的理论是量子达尔文主义。

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正如文章开头所述,“量子达尔文主义”认为,宏观世界中物体的时空属性和经典物理学,如位置和速度,实际上是在量子力学中“选择”的,就像自然一样。选择相同。

从某种意义上说,这些选择的性质是最合适的。正如在自然选择中一样,所选择的物种能够最大程度地“复制”自己,所以选择的性质也是如此。存在或应用于经典物理学的性质和原则应该可供无数个独立观察者观察量子系统。

其次,根据达尔文的进化论和自然选择理论,物种的进化或特征与其环境密切相关,存在的物种必须适合环境。

换句话说,我们可以通过环境了解物种。例如,沙漠中的生物必须非常耐旱,冰盖上的生物必须冷冻。然后映射到量子达尔文主义,环境也起着非常重要的作用,Zurik认为环境相当于量子系统和观察者之间的信息通道,量子系统的各种状态的叠加将传递这样的信息。 channel被传递给观察者,并且环境的特征决定了哪些信息被传递给观察者。大多数时间传递的信息成为我们经典世界中的物理定律,这是宏观经典物理学的量子态。更改。

三组小组第一次独立地进行了实验和揭开神秘面纱

那么,这个听起来像神的理论是什么意思呢?

在最近一年,量子达尔文主义迎来了第一次实验验证,来自中国,意大利和德国的研究团队独立完成了自己的验证,以帮助我们找到答案。从上面的介绍中,我们已经知道环境对量子系统的性质有影响,我们可以观察到的经典物理性质应该是观察过程中最重复的信息。

因此,三个团队的目标是非常一致的,以便在量子系统中找到可以反复观察的信息,类似于在自然选择中找到最丰富的物种,并验证量子达尔文主义。

这是科学家在量子达尔文主义的实验验证中迈出的第一步,但它可能是最重要的一步,因为他们相信量子达尔文主义可能是解释我们的固体现实是如何来自量子力学领域的正确方向。提供的许多选项合二为一。

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其中,中国团队由中国科技大学潘建伟教授和陆朝阳教授领导,他与意大利研究团队合作。在技术实现中,单个光子由固态激光器发射以形成简单的量子系统,并且其他光子用于形成量子系统的环境。通过获得环境信息来执行实验验证。实验细节和相关的理论推论以科学公报中的论文形式发表。

在实验中,他们首先通过光学器件将单光子量子系统与环境光子耦合,然后检测环境光子以查看关于单光子量子系统的信息,特别是在这种情况下,他们检测光子的偏振(它们的电磁场振动方向)。

根据广达的报告,潘建伟解释说,实验中的任何小环境干扰都会对观测系统产生巨大影响,并提供可观测的经典物理信息。正如他所说,实验结果可以通过仅检测一个光子作为环境来获得关于单个光子系统的偏振的大量信息,并且在检测到多个光子的信息之后,获得的信息大致相同,这与量子达尔文主义的陈述是一致的。

02e3-iatixpm3095035.jpg Tupan,德国乌尔姆大学物理学家Fedo Ulm Universit/Quanta)

来自德国乌尔姆大学的团队使用了另一种实验装置。值得一提的是,该组织由照片量子物理学家Fedor Jelezko教授领导。在研究过程中,量子达尔文主义的支持者杰雷兹科和苏黎世密切相关。

在该团队的实验过程中,他们还采用了“量子系统+环境监测”的结构。首先,Jerezko团队通过用氮原子取代钻石中的一个碳原子来形成量子系统。具体地说,由于氮原子比碳原子多一个电子,在氮原子和碳原子键合后,额外的电子不能键合在金刚石晶格中,成为一个“孤独”的个体,具有自由旋转,向上或向下。这构成了典型的量子系统,因为它的状态是不确定的,并且是两种状态可能性的叠加。

然而,该孤立电子的自旋态可以与金刚石晶格中约0.3%的碳核磁性相互作用。事实上,这个0.3%的碳核是“碳13”,碳同位素之一,它与普通的“碳12”不同。 “碳13”的天然含量小得多,约为0.3%,其核是内部的。结构也略有不同,它比“碳12”多一个中子。 Jerezko指出,关于每个“孤独的电子”将耦合到四个附近的“碳13”核,在约1纳米的距离内。

实验设置完成后,“孤独电子”成为量子系统,其周围的“碳13”核成为检测环境。

接下来是改变量子系统的状态。在这种情况下,激光用于改变“孤独电子”的自旋方向,然后可以验证环境中的“碳13”核以验证量子达尔文主义。在该团队9月号的初稿中,他们说他们观察到量子达尔文主义这样的现象:“孤独电子”的旋转方向被环境记录,并且更多的“碳13”核被检测到。信息越接近。

37c3-iatixpm3095134.jpg图| 洛斯阿拉莫斯国家实验室提供)

对于这样的实验结果,Zurik说实验本身只是量子达尔文主义的模拟近似。

可以说,实验验证了量子系统状态与环境之间的关系,也支持量子达尔文主义,但很难说这些实验充分证明了量子达尔文主义的正确性。因为这些实验仍然没有证明或解释量子物理学和经典物理学的转变,并且没有其他可能的证伪经典物理定律。也许我们最需要的是一种更先进的检测设备,其先进性足以检测量子系统状态的变化并区分不同的理论解释。

如今,我们无法区分量子达尔文主义的真实性。它的存在仍然与量子力学理论相同。这也是事实和错误。物理学家唯一能做的就是不断寻求真理并不断澄清其真实性。最终,量子达尔文主义的真实性将作为一种情况“崩溃”。

此外,量子达尔文主义仍然远离主流学说,可以从其相关文章中发表的学术期刊中看出。然而,量子达尔文主义确实为“量子经典变换”提供了可能的解释。它只能在未来的研究成果中看到,正如潘建伟团队在文章中所写,这是验证量子达尔文主义的第一步。将来会出现更多结果。

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