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量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

www.baixadinho.com2019-07-21
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物理学家已经展示了一种通过直接观察获得描述孤立量子系统(如原子气体)的基本细节的新方法。新方法前所未有的空间分辨率提供了在系统中特定位置发现原子的可能性的信息。有了这项技术,科学家们可以获得比病毒小数十纳米级的细节。

联合量子研究所(JQI)是美国国家标准与技术研究院(NIST)和马里兰大学的合作研究机构。在联合量子研究所(JQI)进行的实验使用光学网格(一种悬浮)。千位原子激光网络)确定原子可能在任何给定位置的概率。

由于晶格中的每个原子都像其他原子一样,因此整个原子团的测量揭示了在空间中某个点处存在单个原子的可能性。联合量子研究所(JQI)技术(以及由芝加哥大学的团队同时发布的类似技术)可以使原子位置的概率远低于用于照射原子光的波长,即,这通常可以与光学显微镜。限制高出50倍,研究结果发表在《物理评论X》上。这项研究背后的物理学家之一。根据联合量子研究所(JQI)的Trey Porto的说法,这证明了我们观察量子力学的能力,而量子力学以前没有如此准确地测量过。

研究小组使用激光和光学技术构建了原子波函数(紫色)的图像。这张照片是该过程的艺术描绘,显示了与悬浮在光学晶格(高白波)中的原子(球体)对齐的显微镜物镜。该团队前所未有的细节揭示了有关原子波功能的信息。照片:E。Edwards /联合量子研究所

为了理解量子系统,物理学家经常谈论它的“波函数”。这不仅仅是一个重要的细节,它是整个故事,它包含描述系统所需的所有信息。联合量子研究所(JQI)的物理学家史蒂夫罗尔斯顿和该论文的另一位作者说:这是对系统的描述。如果您有关于波函数的信息,则可以计算它。关于它的所有其他信息,例如物体的磁性,其导电性以及它发射或吸收光的可能性。虽然波函数是一个数学表达式,而不是物理对象,但团队的方法可以揭示波函数描述的行为:

量子系统以某种方式表现的概率。在量子力学的世界里,概率就是一切。在任何情况下,对于一个足够简单的系统,物理学家已经完全理解量子力学,专家可以从基本原理计算波函数而无需观察它。然而,许多有趣的系统很复杂。一些量子系统是不可估量的,因为它们太难了,例如由几个大原子组成的分子,这可以帮助我们理解这些情况。由于波函数只描述了一组概率,物理学家如何在短时间内获得波函数效应的全貌?

该方法涉及同时测量大量相同的量子系统并将结果组合成单个单元。这有点像在同一时间丢弃100,000对骰子每次都会抛出一个结果,并在显示所有骰子值的概率曲线上贡献一个点。该团队观察到的是在光学晶格中悬浮在激光器中的大约100,000个氦原子的位置。氦原子与相邻原子隔离,只能在一维线段上来回移动。为了获得高分辨率图像,该团队找到了一种方法来观察这些片段的窄片以及每个原子在其自己的切片中出现的频率。观察一个区域后,研究小组测量了另一个区域,直到获得整个图像。

虽然他没有想到一个“杀手级应用”可以利用这项技术,但只是团队直接描绘了量子研究的核心,足以吸引他。目前还不完全清楚这项技术将在何处使用,但这是一项提供新机遇的新技术。多年来,光学晶格一直被用来捕获原子,现在它已成为一种新的测量工具。量子力学有许多奇怪的原理,其中之一是在我们测量物体的位置之前,物体可能没有一个精确的位置。例如,围绕原子核的电子不会沿着规则的行星状轨道运动,这与我们在学校学到的相反。

相反,它们的行为就像波纹,所以不能说电子本身有一个特定的位置。相反,电子位于空间的模糊区域。所有的物体都有这种波浪状的行为,但是对于肉眼可见的任何物体,这种效果都很难被发现。经典物理学的规则是。我们没有注意到建筑物、水桶或面包屑像波浪一样散开。打开。然而,像原子这样的微小物体的分离是不同的,因为原子存在于一个由量子力学效应主导的大小场中。不可能准确地说出它在哪里。只能说它会在某个地方找到。波函数提供了一组在任意给定位置发现原子的概率。

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