在量子理论的神秘世界里,有一种现象被称为量子纠缠,它让两个或多个粒子之间产生了一种难以言喻的联系。量子学家推论称即使这些粒子相隔一万光年,它们的状态也是有瞬时感应的。如果其中一个粒子的状态发生变化,另一个粒子的状态也会立即随之改变,仿佛它们之间存在着某种超越时空的默契。
然而,这种纠缠究竟是如何形成的,以及它的速度究竟有多快,一直是科学家们想要探索的奥秘。
量子纠缠的奇妙之处在于,一旦两个粒子发生了纠缠,它们就不再拥有独立的属性。即使我们对这个双粒子系统的状态了如指掌,也无法对单个粒子的状态做出清晰的描述。从数学的角度来看,这两个粒子仿佛被牢牢地结合在一起,即使它们处于两个完全不同的地方,也会表现出一种共同的属性。
为了揭示量子纠缠的奥秘,科学家们一直在努力研究这些近乎瞬时效应的确切时间。据《物理评论快报》杂志10月23日的一篇文章显示,维也纳理工大学的研究人员与来自中国的团队合作,开发了计算机模拟来探索这些超快过程,而通过这些模拟,科学家们得以深入了解量子纠缠是如何在极短的时间内实现的。
在这项研究中,科学家们观察了被极强的高频激光脉冲击中的原子。当原子中的一个电子被撕裂并飞离时,如果辐射足够强,原子中的第二个电子也有可能受到影响,转变为能量更高的状态,然后以不同的路径绕原子核运行。
因此,在激光脉冲之后,一个电子飞走,另一个电子则以未知能量留在原子中,但原有的状态已改变。科学家们发现,这两个电子现在已经是量子纠缠的了。
那么又如何测量这种纠缠的速度呢?研究团队利用了一种结合了两种不同激光束的合适测量协议。通过这种方法,他们证明了飞离的电子的“出生时间”(即离开原子的时刻)与留下的电子的状态是相关的。这两种特性正是量子纠缠的表现。
研究结果显示,飞走的电子的诞生时间原则上是未知的。它处于不同状态的量子物理叠加中,离开原子的时间点既早又晚。我们无法确定它“真正”是在哪个时间点离开的,因为量子物理学中根本不存在这个问题的“实际”答案。
不过,我们可以认为答案与原子中剩余电子的状态——也是未确定的——存在量子物理联系。如果剩余电子处于较高能量状态,那么飞走的电子很可能是在较早的时间点被撕裂出来的;如果剩余电子处于较低能量状态,那么飞走的自由电子的“出生时间”很可能较晚——平均约为232阿秒。
可能很多朋友不理解阿秒是一个什么样的时间概念?它基本上是目前人类物理学科研中所能达到的最小的时间单位层面,1阿秒实是一秒的一百亿亿分之一,或者说是一秒的十亿分之一的十亿分之一,数学上可以写作10^-18秒。
如果把这两个电子视作量子纠缠,那么此次研究团队测出的飞走的自由电子的“出生时间”232阿秒就可以看作是人类首次测出的量子纠缠所需的时间,只是这个时间是在一个原子中两个电子之间的纠缠状态改变的时间。
这个极短的时间尺度让我们对量子纠缠的速度有了更深刻的认识。尽管这个速度几乎是一个难以想象的短时间,但科学家们已经能够在实验中测量出这种超快纠缠的差异。
但研究者们还认为这项研究不仅揭示了量子纠缠的奥秘,还表明仅仅将量子效应视为“瞬时”是不够的。只有当我们设法解析这些效应的超短时间尺度时,重要的相关性才会显现出来。正如研究团队成员所说:“电子并不是从原子中跳出来的。可以说,它是一种从原子中溢出的波,而这需要一定的时间。正是在这一阶段发生了纠缠,随后可以通过观察两个电子来精确测量其效果。”
这项研究成果已经于10月23日发表于权威物理学杂志《物理评论快报》上。
量子的世界对人类来说至今仍保持着极大的神秘性,因为其中还有着太多的奥秘没有解开。但随着科学技术的不断进步和量子理论的深入发展,我们有望对量子纠缠及其相关现象有更深入的认识和理解。这将为量子计算、量子通信等前沿科技领域的发展提供有力的支持,推动人类社会向更加美好的未来迈进。
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