2025年高考微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現(xiàn)實(shí)

　　微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現(xiàn)實(shí)

　　根據(jù)“隨機(jī)漫步”理論，每完成一階段的拋硬幣后確定的位置，很少出現(xiàn)偏離原始出發(fā)點(diǎn)太左或太右的情況。

　　你扔出一枚硬幣，硬幣要么正面朝上，要么背面朝上。但是在微觀情況下，事情并非完全那么確定。如果你扔出的是一枚“原子”硬幣，那么你得到的可能是一種正面和反面的疊加態(tài)。但是，這樣的情況只是發(fā)生在你不在觀察硬幣的時(shí)候。如果你去觀察，呈現(xiàn)在你眼前的可以是正面也可以是反面，隨你喜歡而定。如果你像拋硬幣一樣扔出一個(gè)量子粒子，你就會(huì)看到不同尋常的效應(yīng)。德國(guó)波恩大學(xué)的物理學(xué)家首次在銫原子實(shí)驗(yàn)中展示了這種效應(yīng)。他們的研究結(jié)果刊登在7月10日出版的《科學(xué)》雜志上。

　　我們來假設(shè)下面的實(shí)驗(yàn)：將一枚硬幣放在一名測(cè)試者手中，我們權(quán)且將這名測(cè)試者叫做小王，小王現(xiàn)在的任務(wù)就是把硬幣多拋幾次。當(dāng)硬幣正面朝上時(shí)，小王就向右跨一步；相反，當(dāng)硬幣背面朝上時(shí)，小王就向左跨一步。小王拋完10次硬幣后，我們來觀察小王的位置在哪里。這時(shí)，我們會(huì)看到小王距離第一次拋出硬幣的地方并不會(huì)太遠(yuǎn)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下硬幣出現(xiàn)正面和反面的機(jī)會(huì)大致相等。如果小王想要拋完10次硬幣后，往右走出10步，這樣的情況一般都不會(huì)發(fā)生。

　　我們?cè)賮砑僭O(shè)小王是一個(gè)非常耐心的人。他非常耐心地成功拋完了1000次硬幣。每走一步，他都會(huì)記下自己的位置。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，我們將結(jié)果做成一個(gè)圖表，得到的將會(huì)是一個(gè)典型的鐘形曲線（亦稱正態(tài)分布曲線）。每扔完10次，小王都會(huì)發(fā)現(xiàn)自己接近于原始出發(fā)點(diǎn)，很少發(fā)現(xiàn)自己偏離原始出發(fā)點(diǎn)太左或太右。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為“隨機(jī)漫步”，這種現(xiàn)象可在許多現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域（如布朗運(yùn)動(dòng)）中發(fā)現(xiàn)。在量子物理世界中，類似現(xiàn)象則有一個(gè)新的有趣特性，叫做“量子漫步”。直到目前為止，量子漫步或多或少還只是一個(gè)理論架構(gòu)，現(xiàn)在，波恩大學(xué)的物理學(xué)家終于首次實(shí)際執(zhí)行了這樣的量子漫步。

　　實(shí)驗(yàn)通過使用激光束組成的光鑷操縱一個(gè)銫原子來實(shí)現(xiàn)，激光束同時(shí)扮演漫步者和硬幣的角色。銫原子能呈現(xiàn)出不同的量子力學(xué)態(tài)，這有點(diǎn)像硬幣的正面或是反面朝上。但在微觀層面，情況要稍許復(fù)雜一些，因?yàn)榱孔恿Ｗ幽軌蛞圆煌瑺顟B(tài)的疊加態(tài)存在。這種情形基本上就是一種“有一點(diǎn)正面朝上，又有一點(diǎn)反面朝上”的狀態(tài)。物理學(xué)家將其稱為“態(tài)疊加”。

　　通過使用激光束組成的傳送帶，波恩大學(xué)的物理學(xué)家將銫原子拉向兩個(gè)相反方向，“正面”部分向右，“反面”部分向左，如此將兩個(gè)狀態(tài)分開了近數(shù)千分之一微米。之后，科學(xué)家們?cè)俅?ldquo;拋出硬幣”，將兩種狀態(tài)的每一個(gè)都變成了正面和反面的疊加態(tài)。

　　銫原子經(jīng)過數(shù)次這樣的“量子漫步”后就基本上延伸到了任何地方。只有當(dāng)你去觀測(cè)時(shí)才會(huì)得到確定的位置。其位置的出現(xiàn)概率主要由量子力學(xué)的第二效應(yīng)決定。這是基于原子的兩個(gè)部分能自我加強(qiáng)或是自我毀滅，光物理學(xué)家稱這種現(xiàn)象為干擾。

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