一个量子粒子“眼中”的世界
2019-03-01 10:48

一个量子粒子“眼中”的世界

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:  Uni Wien,头图来自视觉中国


我们对物理系统的描述总是相对于某个参考系进行的。例如在火车站台上有一个跳动的球,我们既可以从站台本身的参考系对它进行观察,也可以从一列经过的火车的参考系对它进行观察。


广义协变性原理是物理学中的一个基本原理,它说的是:描述球的运动的物理学定律不依赖于观察者所在的参考系。无论观察者是在运动的火车里还是站台上,都使用相同的物理学定律来描述站台上的球,也就是说,物理学定律与参考系的选择无关。


自伽利略以来,这个原理一直是描述运动的关键。同时,它也是爱因斯坦相对论的发展的核心。它包含的信息是,从不同参考系观察到的物理学定律具有对称性。


另一方面,参考系也是物理系统,它们最终也都需要遵循量子力学规律。因此有物理学家好奇:我们能否从一个“依附”在量子粒子上的观察者的视角来制定物理学定律,从而引入一个量子参考系呢?


对此问题感兴趣的有维也纳大学的物理学教授Časlav Brukner和他的研究团队。在一篇近期发表于《自然-通讯》的论文中,他们证明了,任何量子系统都可被视为一个量子参考系。


○ 量子特征,如量子叠加,只有在相对于观察者时才有定义。当我们从站在站台上的观察者的视角看火车时,火车看起来是不同位置的量子叠加。图中用多个模糊的幻影表示叠加态。| 图片来源:Christian Murzek/IQOQI-Vienna


以火车和站台这两个参考系为例,它们都是遵循量子力学规律的物理系统,可以同时处于不同位置的叠加量子态。当火车上的观察者看到站台同时处于不同位置的叠加状态时,站台上的观察者看到火车也处于叠加状态。因此,像球这样的物体是表现出量子性质还是经典性质,取决于观察者所在的参考系。而协变性原理可以推广到这类量子参考系。这意味着,物理学定律的形式可独立于量子参考系的选择。


○ 然而,坐在火车上的观察者则看到,站台上的观察者和球处于量子叠加状态。| 图片来源:Christian Murzek/IQOQI-Vienna


论文的第一作者Flaminia Giacomini表示:“我们的研究结果表明,世界的对称性必须在更基本的层面上得到扩展。”量子力学和引力的相互作用仍然是一个有待探索的领域。科学家认为,在这个领域中,经典的参考系概念将是不够的,参考系必须从根本上是量子的。


而这个新的洞见有望在这一领域发挥作用。


参考来源:

[1] https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/how-does-a-quantum-particle-see-the-world/

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-018-08155-0.pdf


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:  Uni Wien,头图来自视觉中国

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