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哈喽,大家好,今天小墨这篇评论,主要来分析量子世界有多疯狂,因果能倒置,时间可叠加。
在咱们的日常认知里,因果顺序从来都是板上钉钉的事。先起床再刷牙,先做饭再吃饭,反过来想都会觉得离谱。
可要是告诉你,在量子世界里,“先踢球碎窗”和“先碎窗再踢球”能同时发生,你会不会觉得难以置信?这种打破常识的现象,就是量子世界独有的“不确定因果顺序”。它就像给宏观世界的因果律开了个玩笑,却真实存在于微观粒子的运行规律中。
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要理解不确定因果顺序,得先从量子世界最基础的“叠加态”说起。想必大家都听过薛定谔的猫这个思想实验,一只猫在盒子里,没打开查看之前,它就处于既死又活的叠加状态。
这不是玄学,而是量子世界的基本特性。在微观层面,位置、时间这些我们以为固定的概念,都可能变得模糊不清。
就像一个光子,它能同时处于穿过缝隙和不穿过缝隙的状态,只有当我们去测量它时,这种叠加态才会坍缩成一个确定的结果。
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因果顺序也是一样。在宏观世界里,“A导致B”和“B导致A”是完全相反的两个过程,不可能同时出现。但在量子世界中,这两种因果过程却能像薛定谔的猫那样,处于叠加状态。
昆士兰大学的研究团队曾提出“引力量子开关”的思想实验。想象有两个观察者Alice和Bob,他们处在一颗恒星附近,最初时钟完全同步。根据爱因斯坦的广义相对论,离恒星越近,时间流逝得越慢。
在量子世界里,恒星可以处于空间叠加态。这就意味着,一种状态下Alice离恒星更近,她的时钟走得慢;另一种状态下Bob离恒星更近,他的时钟走得慢。
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要是让两人在自己时钟显示中午时传递信息,就会出现“Alice先传信息给Bob”和“Bob先传信息给Alice”同时发生的情况,这就是不确定因果顺序最直观的体现。
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引力量子开关目前还没法在实验室里实现,但物理学家早就通过其他方式,在实验室中验证了不确定因果顺序。2015年,德国帕德博恩大学的Lorenzo Procopio和他的团队,就创建了第一个基于光子的量子开关。
他们的实验思路很巧妙,没有用恒星这种大质量天体,而是用一个二能级量子态来控制因果顺序。研究人员向分束器发射一个光子,这个光子会进入叠加态:一部分直接穿过分束器,另一部分被偏转90度。
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穿过分束器的光子会先到达Alice的装置,在这里完成一次偏振旋转,再传到Bob的装置进行另一次旋转;被偏转的光子则会先到达Bob的装置,再到Alice的装置。这两个过程同时存在,直到光子到达第二个分束器被测量,叠加态才会消失。
2017年,研究团队又用“因果见证者”这一数学工具,精准验证了这个量子开关中的不确定因果顺序。
简单说,就是通过一系列实验计算,确定系统确实处于两种因果顺序的叠加中,而非单一的确定顺序。从那以后,多个科研团队都成功复刻了类似的量子开关实验。
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更有意思的是,量子科技中心11月8日发布的研究显示,科研人员还发现了不确定因果顺序带来的反常热流现象。
在经典热力学中,热量只会从高温物体流向低温物体,但在量子世界里,当两个热化通道的作用顺序存在不确定性时,热量有时会从较冷的实体流向较热的实体。
研究人员还基于这个现象,设计出了具有因果顺序不确定性的量子奥托循环。他们在光子量子实验平台上进行了模拟,验证了这个装置既能实现制冷效应,还能对外做功。这种突破经典热力学规律的现象,也从侧面证明了不确定因果顺序的应用潜力。
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可能有人会觉得,这些量子现象离我们太远,顶多算是科研圈的猎奇话题。但实际上,不确定因果顺序早已进入实用化探索阶段。
2019年,中国物理学家潘建伟带领的国际团队就发现,量子开关能极大提升分布式计算的效率。在分布式计算中,数据需要先由一方处理,再传递给另一方继续处理。研究人员通过光子实验发现,有不确定因果顺序的系统,在处理长数据串时,速率能实现指数级加速。
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牛津大学的科研团队也通过计算发现,不确定因果顺序可能显著提高量子计量学的精度。这意味着未来在精密测量领域,比如医疗检测、环境监测等方面,这种量子特性或许能发挥重要作用。
不过也有需要客观看待的地方,并不是所有领域都能靠不确定因果顺序实现突破。比如物理学家曾认为它在噪声信道通信上有优势,但实验后发现,有些确定因果顺序的配置,能达到和它一样的效果。
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