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奇妙物理现象!英科学家称物体在量子层面上可以同时达到两种温度

2018-09-26 15:04 前瞻网   

 

奇妙物理现象!英科学家称物体在量子层面上可以同时达到两种温度

著名的被称为薛定谔的猫的思想实验暗示盒子里的猫可以同时是死的和活的——这是量子力学的结果,一个奇怪的现象。

现在,英国埃克塞特大学的物理学家们发现,温度可能存在类似的不确定状态:物体在量子层面上可以同时达到两种温度。

这个奇怪的量子悖论是几十年来第一个全新的量子不确定性关系。

海森堡的其他原则

1927年,德国物理学家维尔纳·海森堡假设,量子粒子的位置测量得越精确,你就越不能精确地知道它的动量,反之亦然——这一规律后来成为了著名的海森堡测不准原理。

新的量子不确定性,表明你对温度的了解越精确,你对能量的了解就越少,反之亦然,这对纳米科学有很大的影响,纳米科学研究的是比一纳米还小的难以置信的物体。

这项新研究发表在6月的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

20世纪30年代,海森堡和丹麦物理学家尼尔斯波尔(Niels Bohr)在非量子尺度上建立了能量和温度之间的不确定关系。

当时的想法是,如果你想知道对象的确切温度,最好、最精确的科学方法就是将之浸入“水库”——比如说,一桶水,或满冰箱的冷气,有着已知的温度,并让需要观察的对象慢慢也达到那个温度。

这就是热平衡。

然而,热平衡是由物体和其外界环境不断交换能量来维持的。因此,物体中的能量以无穷小的数量上下波动,使其无法精确定义。

另一方面,如果你想知道你的物体的精确能量,你就必须把它分离出来,这样它就不能和任何东西接触、交换能量。

但是如果你把它分离出来,你就不能用热源精确测量它的温度。这个限制使得温度不确定。

当进入量子尺度时,事情会变得更加奇怪。

一种新的不确定性关系

即使一个典型的温度计也有着能量,有轻微的上升和下降,这种能量仍然可以在很小的范围内被知道。

这项新研究表明,在量子层面上,这完全不是真的,这都是薛定谔的猫定理造成的。

这个想法的实验提出了一个理论:猫在一个盒子里,盒子里的毒药可以被放射性粒子的衰变激活。

根据量子力学的定律,粒子可以同时衰变和不衰变,也就是说,在盒子被打开之前,猫可以同时死亡和存活——这种现象被称为叠加态。

研究人员使用数学和理论来准确预测这种叠加态如何影响量子物体的温度测量。

“在量子情况下,一个量子温度计……会同时处于能量态的叠加吗?”Harry Miller说道,他是埃克塞特大学的物理学家之一,他发展了这一新原理。

“我们发现,由于温度计不再具有明确定义的能量,而且实际上同时处于不同状态的组合中,这实际上导致了我们能够测量的温度的不确定性。”

在我们的世界里,温度计可能会告诉我们物体的温度在华氏31 - 32度(0.5 - 0摄氏度)之间。

在量子世界里,温度计可能会告诉我们物体同时具有这两种温度。

新的不确定性原理解释了量子的古怪之处。

在量子尺度上,物体之间的相互作用可以产生叠加态,也可以产生能量。

旧的不确定关系忽略了这些影响,因为它与非量子物体无关。

但当你试图测量一个量子点的温度时,这是很重要的,这个新的不确定关系构成了一个理论框架来考虑这些相互作用。

Miller说,这篇新论文可以帮助任何正在设计一项实验来测量纳米尺度以下物体的温度变化的人。

“我们的研究结果将告诉他们如何精确设计探测器,以及如何解释额外的量子不确定性。”

 

责任编辑: 3980SYN

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