五种怪异量子效应：量子齐诺效应和真空双折射

　　新浪科技讯 北京时间3月29日消息，据国外媒体报道，目前，澳大利亚研究员劳伦?福格（Lauren Fuge）指出，除了著名的“薛定谔的猫（Schrodinger’s cat）”和海森堡的“不确定原理（uncertainty principle）”之外，量子效应还存在许多怪异现象。

　　你可能听过“薛定谔的猫”和海森堡的“不确定原理”，甚至量子纠缠（quantum entanglement），这些量子现象试图以极小比例解释世界，自从量子效应被发现，在一个世纪里这些神奇效应已是众所周知。

　　但事实上量子效应仅是原子和亚原子微粒怪异和违反直觉的开始，许多奇特的量子效应仍然令科学家迷惑不解，以下是五种最怪异的量子效应：



　　1、量子齐诺效应（quantum Zeno effect）

　　让我们先从经典的“薛定谔的猫”理论开始吧，在这个著名的思维实验中，一只猫被困在装有放射性物质的盒子里，如果放射性物质进行衰变，辐射会触发一个释放毒气的探测器，这只猫会被杀死。

　　但我们检测盒子内部状况，发现盒子内部会同时存在两种状态：一种状态是猫没有腐烂，仍是活着的；另一种状态是猫已腐烂，它已死去。此刻我们决定观察一下盒子里面的情况，证实这只猫是死了，还是又活过了一天。

　　但是你每秒数千次窥视这个盒子，监测盒子中的放射物质，你可能改变这一变化过程。根据你所观测的方式，结果可能是延迟放射性衰变（被称为量子齐诺效应）或者加速放射性衰变（被称为量子反齐诺效应）。据悉，齐诺效应的命名源自古希腊哲学家齐诺的名字，这位哲学家曾提出一系列逻辑悖论，其中最著名的包括：关于龟兔赛跑的“阿基里斯谬论（Achilles）”，证实擅跑英雄阿基里斯追上乌龟是不可能的，因为任何距离都可切割成无数小的距离，乌龟会制造出无穷个起点，它总能在起点与自己之间制造出一个距离，不管这个距离有多小，但只要乌龟不停地奋力向前爬，阿基里斯就永远也追不上乌龟！

　　齐诺效应引起的变化是由于测量引起的干扰，甚至人们只需晃动盒子，而不是朝向盒子里观看，就完全足够了。



　　2、中微子缺少“身份识别”

　　“薛定谔的猫”是量子物理中较奇特的构想例子之一，证实叠加理论的存在。这一基础理论认为，物体能同时以两种或者更多状态存在，即一只存活或者死亡的猫并非你现实情况下所看到的，物理学家在实验室经常使电子同时顺时针和逆时针旋转。

　　基于以上观点，科学家表明神秘微粒――中微子，在穿行数百公里的范围内可保持两种或者更多的状态，中微子是一种亚原子粒子，它与物质几乎没有相互作用（每秒大约有10万亿个中微子穿过你的手）。同时，它们在穿越空间时，会在不同“味（用以区分不同类型的夸克和不同种类的粒子）”和类型之间快速振荡，中微子会以一种“味”开始，并以另一种“味”到达目的地。

　　但是这种转换并不简单，研究表明，在穿行过程中，中微子并没有明确的“味”，它们仍然处于一种“身份认同危机（identity crisis）”状态，同时存在多种“味”。



　　3、Hong-Ou-Mandel效应

　　量子光学是涉及光的一个研究领域，它与物质之间的相互作用是最小的。Hong-Ou-Mandel效应描述了两种光子在分束器（beam splitter）进行交互的奇特方式，它们可以反弹或者穿过，每种方式都有50%的可能性。

　　如果两种相同光子从两侧进入分束器，会出现四种可能性：上方光子被反射；下方光子被传输；上方和下方光子都被传输；上方和下方光子都被反射。

　　这里存在一些奇特现象，由于光子性质相同，我们无法区分第二种和第三种可能性之间的差别，同时，相同性质的光子可能彼此抵消。最终，你可能最终仅看到第一种和第四种可能性：两个光子总是位于分束器相同一侧的末端。



　　4、“真空双折射”

　　有时我们必须在宏观尺度上观测宇宙，从而获得微观等级的认知。近期，天文学家正在研制一种非常致密、具有强磁性的中子星，从中发现“真空双折射（vacuum birefringence）”量子效应的第一证据。

　　据悉，“真空双折射”假设理论首次是上世纪30年代提出的，当时量子理论预测真空并非完全是“空的”，相反，真空还充满闪烁存在和消失的大量虚拟粒子。

　　正常情况下，我们预测光线穿过真空是不会发生变化的，但是光线证实了极端磁场，就像中子星周围的磁场一样，能够改变真空中这些虚拟粒子的性质，并影响穿过光线的极化状态。当光线抵达地面上的望远镜时，我们可以观察到宏观等级的量子效应。



　　5、温度量子

　　想像一下，你将烤箱内温度调高，然后放入一个蛋糕进行烘烤，由于烤箱部分位置仍处于室温条件，之后会发现蛋糕上有一些部分未烤熟。

　　我们通常认为，热量非常平滑地从热点区域流至邻近低温区域，使一个房屋加热，或者物体均匀受热。在量子物理学中，情况却并非如此。研究发现石墨烯具有独特的温度特征，石墨烯是一种由单层碳原子构成的特殊材料，电子携带热量以波纹形式传播，这些波纹意味着石墨烯中一些斑点仍保持低温，而其它位置被加热升温。

　　令人兴奋的是，波纹大小可以被控制，因此可以使用热量显微镜进行观察，有助于科学家在量子等级观察温度变化。如果我们能够利用这种效应，很可能将其应用在计算、医学和环境监测等方面。（叶倾城）