合肥東風(fēng)好孕三代試管(量子負(fù)離子)副量子數(shù)為0有什么意義,
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在量子物理學(xué)的探索中,科學(xué)家們時(shí)常遭遇一些看似不可思議的現(xiàn)象,這些現(xiàn)象挑戰(zhàn)了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的基本理解例如,原子和分子有時(shí)表現(xiàn)得像粒子,有時(shí)又像波;粒子間能通過一種稱為“超距作用”的神秘力量相互連接,即便它們相隔遙遠(yuǎn);量子物體甚至可以像《愛麗絲夢(mèng)游仙境》中的切舍貓一樣,與自身特性完全分離。
最近,由多倫多大學(xué)的丹妮拉·安古洛領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)揭示了另一個(gè)令人震驚的量子現(xiàn)象:光子,作為光的波粒二象性的體現(xiàn)載體,可以在穿過冷卻原子云時(shí)消耗“負(fù)時(shí)間”換句話說,光子似乎能夠在進(jìn)入材料之前就已經(jīng)離開,這似乎挑戰(zhàn)了我們對(duì)時(shí)間的基本理解。
多倫多大學(xué)的物理學(xué)家艾弗拉希姆·斯坦伯格在社交媒體平臺(tái)X上發(fā)布了關(guān)于這項(xiàng)新研究的帖子,他提到:“光子消耗了正的時(shí)間,但我們的實(shí)驗(yàn)觀察到光子可以讓原子在激發(fā)態(tài)中顯得消耗了負(fù)時(shí)間!”該研究于9月5日上傳至預(yù)印本服務(wù)器arXiv.org,目前尚未經(jīng)過同行評(píng)審。
這一研究的靈感源自2017年,當(dāng)時(shí)斯坦伯格和他的實(shí)驗(yàn)室同事、博士生約西亞·辛克萊對(duì)光與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生了濃厚的興趣,尤其關(guān)注一種稱為原子激發(fā)的現(xiàn)象在這個(gè)過程中,光子穿過介質(zhì)并被吸收,導(dǎo)致圍繞原子的電子躍遷到更高的能級(jí)。
當(dāng)這些激發(fā)態(tài)的電子回到原始狀態(tài)時(shí),它們會(huì)以重新發(fā)射的光子形式釋放所吸收的能量,這一過程引入了光通過介質(zhì)的觀測(cè)時(shí)間延遲辛克萊的團(tuán)隊(duì)希望測(cè)量這種時(shí)間延遲(技術(shù)上稱為“群延遲”),并了解它是否依賴于光子的命運(yùn):光子是在原子云內(nèi)部被散射和吸收,還是在沒有任何相互作用的情況下通過?辛克萊回憶道:“當(dāng)時(shí),我們對(duì)答案并不確定,我們認(rèn)為這個(gè)基礎(chǔ)性的問題應(yīng)該容易回答。
但隨著與越來越多人的交流,我們意識(shí)到雖然每個(gè)人都有自己的直覺或猜測(cè),但并沒有達(dá)成專家共識(shí)”由于這些延遲的性質(zhì)往往奇特且反直覺,一些研究者甚至認(rèn)為這一現(xiàn)象對(duì)描述與光相關(guān)的任何物理屬性幾乎沒有意義
經(jīng)過三年的策劃,辛克萊的團(tuán)隊(duì)終于開發(fā)出一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備來檢驗(yàn)這個(gè)問題他們的實(shí)驗(yàn)涉及將光子射穿超冷銣原子云,并測(cè)量由此引起的原子激發(fā)程度實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了兩個(gè)令人意外的結(jié)果:有時(shí)光子毫發(fā)無損地通過,但銣原子卻依然激發(fā),激發(fā)的持續(xù)時(shí)間與光子被吸收時(shí)的時(shí)間完全相同。
更為奇怪的是,當(dāng)光子被吸收后,它們似乎幾乎瞬間被重新發(fā)射,甚至在銣原子返回基態(tài)之前,仿佛光子的離開速度比預(yù)期還要快為了對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行解釋,該團(tuán)隊(duì)與澳大利亞格里菲斯大學(xué)的理論物理學(xué)家霍華德·維斯曼展開了合作。
最終,他們提出的理論框架表明,這些被傳輸光子在原子激發(fā)狀態(tài)所消耗的時(shí)間與光所獲得的預(yù)期群延遲之間存在完美的匹配,即使在某些情況下,看起來光子似乎在原子激發(fā)消退之前被重新發(fā)射為了理解這一看似荒謬的發(fā)現(xiàn),可以將光子視作模糊的量子物體,任何給定光子的吸收和重新發(fā)射并不保證在固定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生,而是發(fā)生在一個(gè)模糊的、概率性的時(shí)間范圍內(nèi)。
正如實(shí)驗(yàn)所示,這些時(shí)間值可以包含個(gè)別光子的傳輸時(shí)間為瞬時(shí)的情況,甚至更離奇的是,當(dāng)光子在原子激發(fā)結(jié)束之前完成傳輸時(shí),會(huì)導(dǎo)致負(fù)值的出現(xiàn)
辛克萊對(duì)此表示:“我可以向你保證,我們對(duì)這個(gè)預(yù)測(cè)完全感到驚訝”他提到群延遲與傳輸光子在原子激發(fā)中所消耗的時(shí)間之間的匹配“當(dāng)我們確信沒有犯錯(cuò)后,斯坦伯格和其他團(tuán)隊(duì)成員——此時(shí)我已轉(zhuǎn)到麻省理工學(xué)院做博士后——開始計(jì)劃后續(xù)實(shí)驗(yàn),以測(cè)試這個(gè)關(guān)于負(fù)停留時(shí)間的瘋狂預(yù)測(cè),看看理論是否成立。
”安古洛領(lǐng)導(dǎo)的后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以通過考慮光子傳輸?shù)膬煞N方式來理解在一種情況下,光子“蒙住了眼睛”,完全忽視了原子,甚至沒有打個(gè)招呼;在另一種情況下,光子與原子相互作用,將其提升到更高的能級(jí),然后被重新發(fā)射斯坦伯格指出:“當(dāng)你看到一個(gè)被傳輸?shù)墓庾訒r(shí),你無法確定發(fā)生了哪種情況。
”因?yàn)楣庾邮橇孔恿W?,在量子領(lǐng)域中,兩種結(jié)果可以處于疊加狀態(tài),即這兩件事情可以同時(shí)發(fā)生“測(cè)量設(shè)備最終會(huì)處于測(cè)量零與測(cè)量某個(gè)小的正值的疊加狀態(tài)”但這也意味著有時(shí)“測(cè)量設(shè)備會(huì)處于一種看似不是‘零’加上‘某個(gè)正值’,而是‘零’減去‘某個(gè)正值’的狀態(tài),從而導(dǎo)致這一激發(fā)時(shí)間的值看起來是錯(cuò)誤的,即負(fù)值。
”安古洛及其同事的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)光子激發(fā)原子時(shí),它們?cè)诮橘|(zhì)中的移動(dòng)速度比原子保持在基態(tài)時(shí)更快值得注意的是,這一現(xiàn)象并不違反愛因斯坦狹義相對(duì)論所設(shè)定的“沒有任何東西可以以超光速傳播”的限制,因?yàn)楣庾硬]有傳遞任何信息。
辛克萊解釋說:“負(fù)時(shí)間延遲可能看起來悖論重重,但這意味著,如果你建立一個(gè)‘量子’時(shí)鐘來測(cè)量原子在激發(fā)態(tài)中花費(fèi)的時(shí)間,在某些情況下,時(shí)鐘指針會(huì)向后而不是向前移動(dòng)”換句話說,光子被原子吸收的時(shí)間是負(fù)的盡管這一現(xiàn)象令人驚訝,它并未改變我們對(duì)時(shí)間本身的理解,但它再次證明了量子世界依然充滿驚喜。
辛克萊表示:“[安古洛]和團(tuán)隊(duì)的其他成員取得了令人印象深刻的成就,產(chǎn)生了一組美麗的測(cè)量結(jié)果他們的結(jié)果引發(fā)了關(guān)于光子在吸收介質(zhì)中旅行歷史的有趣問題,并需要重新解釋光學(xué)中群延遲的物理意義”這一發(fā)現(xiàn)為量子物理學(xué)領(lǐng)域增添了新的維度,同時(shí)也激發(fā)了科學(xué)界對(duì)光子行為的新思考。
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