奇異的物理現象表明物體可以同時達到兩個溫度

被稱為薛定諤貓的著名思想實驗暗示盒子里的貓可以同時是死的和活的——這是量子力學的結果，一個奇怪的現象。現在英國埃克塞特大學的物理學家們發現，溫度可能存在類似的不確定狀態：物體在量子層面上可以同時達到兩種溫度。這個奇怪的量子悖論是幾十年來第一個全新的量子不確定性關係。

海森堡的其他原則

博科園-科學科普：1927年德國物理學家維爾納·海森堡假設，量子粒子的位置測量得越精確，你就越不能精確地知道它的動量，反之亦然——這一規律後來成為了著名的海森堡測不準原理。新的量子不確定性，表明你對溫度的了解越精確，對能量的了解就越少，反之亦然，這對納米科學有很大的影響，納米科學研究的是比納米還小的難以置信的物體。這項新研究發表在《自然通訊》(Nature Communications)上。

在這個實驗中，一隻貓被放在一個裝有放射性元素的盒子里，它可以是活的，也可以是死的。圖片：Shutterstock

20世紀30年代，海森堡和丹麥物理學家尼爾斯波爾在非量子尺度上建立了能量和溫度之間的不確定關係。這個想法是，如果你想知道一個物體的確切溫度，最好也是最精確的科學方法就是把它浸泡在一個「蓄水池」，一桶水，或者一個裝滿冷空氣的冰箱-有一個已知的溫度，然後讓這個物體慢慢變成那個溫度，這就是熱平衡。然而，熱平衡是由物體和儲層不斷交換能量來維持。

因此物體中的能量以無窮小的數量上下波動，使其無法精確定義。另一方面，如果你想知道物體的精確能量，就必須把它分離出來，這樣它就不能和任何東西接觸，交換能量。但是如果你把它分離出來，就不能用熱源精確測量它的溫度，這個限制使得溫度不確定。當你進入量子尺度時，事情會變得更加奇怪。

一種新的不確定性關係

即使一個典型的溫度計能量有輕微的上升和下降，這種能量仍然可以在很小的範圍內被知道。這項新研究表明，在量子層面上，這完全不是真的，這都是薛定諤的貓造成的。這個想法的實驗提出了一個理論貓在一個盒子里，毒藥可以被放射性粒子的衰變激活。根據量子力學的定律，粒子可能同時衰變而不是同時衰變，也就是說，在盒子被打開之前，貓會同時死亡和存活——這種現象被稱為疊加。研究人員使用數學和理論來準確預測這種疊加如何影響量子物體的溫度測量。

埃克塞特大學的物理學家之一哈里·米勒(Harry Miller)說：在量子的情況下，量子溫度計…將同時處於能量態的疊加中，由於溫度計不再有明確定義的能量，實際上同時處於不同狀態的組合，這實際上增加了我們可以測量溫度的不確定性。在我們的世界裡，溫度計可能會告訴我們物體的溫度在華氏31 - 32度(零下0.5 - 0攝氏度)之間。在量子世界裡，溫度計可能會告訴我們物體同時具有這兩種溫度，新的不確定性原理解釋了量子的古怪。

在量子尺度上，物體之間的相互作用可以產生疊加，也可以產生能量。舊的不確定關係忽略了這些影響，因為它與非量子物體無關。但當你試圖測量一個量子點的溫度時，這是很重要的，這個新的不確定關係構成了一個理論框架來考慮這些相互作用。這篇新論文可以幫助任何正在設計一項實驗來測量納米尺度以下物體溫度變化的人。新研究結果將告訴他們如何精確設計探測器，以及如何解釋額外的量子不確定性。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻 :《Nature Communications》｜文：Meredith Fore/Live Science｜DOI：doi.org/10.1038/s41467-018-04536-7

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