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木虫 (职业作家)

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[交流] 氦原子的双原子干涉验证量子力学基本原理

时间:2015-04-08 10:33 来源:环球科学（huanqiukexue.com）
在4月2日发表的《自然》杂志中，有一篇论文讲的就是让原子进入这种状态，从而模糊了量子概率函数与经典物理实体之间的界限。
量子力学领域中违背直觉的结论如此之多，以至于我们都见怪不怪了。而今天我们要接触到的一条原理则是，如果我们把不同粒子放到同一个量子态中，我们就无法有效区分它们了。而一旦我们无法有效区分它们，它们就总会出现在相同的位置，哪怕按照理论计算它们应当随机分布。在4月2日发表的《自然》杂志中，有一篇论文讲的就是让原子进入这种状态，从而模糊了量子概率函数与经典物理实体之间的界限。

不可区分性实验原本是几十年前科学家在光子身上做的经典实验，又叫Hong-Ou-Mandel实验。在这一实验中，科学家将两个处于同一个量子态的光子送入一个半透半反镜，通过半透半反镜的光子有50%的概率透射，另50%概率被反射，因此出射光有两个可能的方向。

正是由于这个五五开的概率，我们可能会得到不同的结果。有一半的可能性是两个光子同时被透射或被反射，这样最终两个方向中只有一个方向有出射光；而另一半的可能性是两个光子一个被透射、一个被反射，这样两个方向都有出射光子。

但注意了，我们讨论的可是量子力学啊。所以，以上推理得到的结果实际上并不会发生，两个光子永远会在同一个方向出射。我们可以这样来理解：既然我们无法区分这两个光子哪个是哪个，那么它们表现得就如同一个光子一样。

当然，这是光子，一种无质量、表现得更像波的粒子。但量子力学也说了，像电子和更重的粒子（甚至是分子），在有机会的时候也会表现出波的性质。所以，来自巴黎第十一大学（Universite Paris Sud）的研究小组就决定把Hong-Ou-Mandel实验搬到比光子更实体化的一些粒子上去。他们选择了质量数为4的氦原子，因为将氦原子设定到同一个量子态上相对容易一些。

他们在实验中使用了一个光学势阱将原子固定在传感器的上方。由于势阱的初始设置，两原子在一开始会以不同的速度上升，直到引力将它们拉回下方。

在原子向上移动时，研究人员用光子来撞击原子，这会导致原子和光子之间的动量交换，因此在下落之前的运动路径也发生交叉。就在路径交叉的一瞬间，科学家再用强度为上次一半的光子撞击一次原子，这次它们动量改变的概率就各为50%，相当于原子通过了一个分束器。

而结果就是，我们无法区分这两个原子了。在这个实验中，我们完全不知道它们它们什么时候能被探测到。

经典理论的思维方式告诉我们，测量到的粒子动量分布应该呈两个高斯曲线（钟形曲线），其中心为起始速度（7cm/s与12cm/s），宽度是由随机误差与噪音带来的，而实际的实验结果看起来也是类似。不过如果你仔细观察两粒子到达探测器时的相干度，你仍然可以发现与Hong-Ou-Mandel实验类似的倾向：两原子的速度倾向于都分布在同一个速度（7cm/s或12cm/s）附近，而不会各自分布在不同的这两个速度附近。因为我们无法区分这两个原子，所以它们必须一起运动。

实验的结果并不完美：在理想的情况下，两个原子的运动状态应该更加趋向相同一些，但作者认为实验噪音造成了一定影响，但作者认为，实验得到的结果和经典力学预测的结果已经有了根本上的不同了。继用原子做这类实验之后，我们或许还可以尝试采用更大的粒子，以找出量子世界与经典世界的分界线。（作者：John Timmer 翻译：丁家琦）

原文链接：
http://arstechnica.com/science/2 ... ring-in-same-place/

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