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中国将发射量子卫星要探索怎样离奇的微观谜境?

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(原标题:中国将发射量子卫星要探索怎样离奇的微观谜境?)

新华社北京8月14日电(记者喻菲 杨春雪 高杉)中国近日将发射的世界首颗量子卫星,除了在建立量子通信网络方面具有巨大应用价值,还将为理解量子物理最令人费解的现象迈出重要一步。

据介绍,这颗卫星的一大任务是实现星地量子纠缠分发,在青海德令哈和云南丽江之间,或者青海德令哈与新疆乌鲁木齐之间,测试相距1200公里,被爱因斯坦称为“诡异的”量子纠缠现象。

量子是微观世界里最小的、不可分割的基本单位,比如,人们日常生活中常见的光,就是由大量光量子组成的。量子世界以一种神秘、有趣的方式运行,量子有着许多不同于宏观物理世界的奇妙特性,被认为是科学界最玄妙的话题,至今仍充满争议。

(量子卫星)

(小标题)量子叠加——既死又活的猫

量子力学描述世界的语言与经典力学有着根本的区别。经典力学描述一个物体的状态,会给出它的明确位置;量子力学描述一个微观粒子的状态,给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里,也可能在那里,没有确定的位置。当对其观测时,量子叠加态将随机地以一定的概率呈现不同态的性质。

量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟喜欢用“分身术”来比喻量子叠加态,“这就好比孙悟空的分身术,一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。”

潘建伟说:“在日常生活当中,我要么在上海作报告,要么在北京作报告,我不可能同时在两个地方讲。但在量子世界,作为一个微观的客体,它不仅在这里,也可以在那里,同时在好多个地方。”

描述量子叠加的最著名的思想实验是量子理论创始人之一、奥地利物理学家薛定谔提出的,有关一只猫的实验,因而被称为“薛定谔的猫”。在这个假想的实验中,一只猫被关在盒子里,盒子中还有一个原子核,它有50%的可能会发生衰变,而衰变将会放出一个粒子,粒子再触发毒气释放装置。在不打开盒子观察的情况下,原子核处于衰变和未衰变的叠加态中,在这种状态下,猫既是死的又是活的。

薛定谔是用这个假想实验来强调量子理论所描述的“荒谬性”。根据量子理论,这只未观测到的猫既是死的也是活的,直到你对它的观察使得它要么死掉要么活着,二者择一。

那只既死又活的猫总像噩梦一样让物理学家们不得安宁……

(薛定谔的猫)

(小标题)量子纠缠——幽灵般的作用

量子物理世界另一个奇异现象是纠缠效应,量子纠缠可以把两个或更多粒子的命运关联在一起。在这一奇特关联中的粒子“心心相印”,即使隔着一个太阳系,当测量其中一个的状态时,另一个状态也会即刻发生相应改变。

形象点比喻,这就如同两张相距甚远的纸张,人们在其中一张纸上书写的时候,另一张纸上会立刻显现出所书写的信息。

爱因斯坦对这种“幽灵般的超距作用”嗤之以鼻,更愿意相信这背后有某种隐藏的物理作用。

然而,1972年,美国物理学家克劳泽等通过实验证实,微观粒子“遥远地点之间的诡异互动”现象真实存在。但是为什么会有这种现象呢?现在科学家也不知道。

如果你觉得量子物理太匪夷所思、难以理解,这是正常的,因为对于科学家来说,他们也有同感。“当你思考量子理论时如果没有感到眩晕,”量子力学创始人之一——尼尔斯·玻尔说,“你就还没理解它。”

骄傲而聪明的美国物理学家理查德·费曼对量子力学的理解比任何人都深刻,他曾写到:“我那些物理专业的学生也不理解量子力学,因为我自己就不理解。”

爱因斯坦被公认为20世纪最伟大的物理学家——颇具讽刺地成为了量子理论的奠基者之一——他从来都不喜欢量子概率,还常说他不相信上帝会“掷骰子”。

美国诺贝尔奖得主穆雷·盖尔曼把量子力学描述为“神秘的、令人捉摸不透的学科”,“我们谁都谈不上真正理解,我们只是知道怎样去运用它。”

潘建伟说:“如果能弄明白为什么会有量子纠缠,我立即死都愿意。”

许多物理学家相信,量子力学一定还有某些因素尚待发现。

(量子世界让爱因斯坦和玻尔这样伟大的科学家都感到匪夷所思)

(小标题)天空是量子纠缠的极限所在吗?

量子纠缠似乎能无视距离和光速的限制,在测量的一瞬发生诡异的互动。但在卫星上,当“同时”这个概念变得相对时,量子纠缠还能继续实验不败的神话吗?

潘建伟说:“我们有了(量子)卫星之后,就可以在宏观的距离上检验所谓的量子力学的非局域性。”

“对量子纠缠而言,在宏观的大尺度距离上,会不会有什么变化,会不会受到引力的干扰,实验上还是未知的。在卫星的帮助下,我们可以对物理学的一些基本问题做一些基本探索和检验,可能有新的物理发现。”潘建伟说。

他说:“物理学中,大家都追求突破极限,要不就无穷大,要不就无穷小。当你有一种新的能力时,到达新的尺度区间,如果你发现对现有物理学偏离的话,新的物理就诞生了。”

(原标题:中国将发射量子卫星要探索怎样离奇的微观谜境?)

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