怪異物理現象暗示物體可同時保持兩個溫度狀態

一種新的不確定性原理認為，量子物體可同時處於兩個溫度，這類似於著名的「薛定諤的貓」思維實驗，在這個實驗中，一個帶有放射性元素的盒子里貓可能處於存活和死亡狀態。

新浪科技訊 北京時間9月25日消息，據國外媒體報道，著名的「薛定諤的貓」的思維實驗暗示，放在盒子中的貓可能同時處於死亡和存活狀態，該怪異現象是一種重要量子力學結論。

目前，英國埃克塞特大學物理學家們發現，溫度可能存在處於中間或者不定的狀態：在量子層面上，物體可同時達到兩種溫度狀態。這個怪異的量子悖論是幾十年以來首次證實的量子不確定性關係。

海森堡的其他原理

1927年，德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）假設稱，量子粒子的位置測量越精確，你就越不能精確地知道它的動量，反之亦然。這一假設規律後來成為當前著名的「海森堡不確定性原理」。

新的量子不確定性，表明你對溫度了解的越精確，對能量的了解就越少，反之亦然，這對納米科學具有重大影響。納米科學是研究比納米等級更小的微型物體，目前這項最新研究報告發表在今年6月出版的《自然通訊雜誌》上。

上世紀30年代，海森堡和丹麥物理學家尼爾斯·波爾（Niels Bohr）在非量子等級上建立了能量和溫度之間的不確定關係，當時他的想法是，如果你想知道研究目標的準確溫度，最好和最精確的科學方法就是渲染在「水庫」中。可以做個比方：一桶水，或者一台充滿冷氣的冰箱，它們具有已知溫度，並允許研究目標緩慢地過渡至以上兩個物體的溫度，這就是所謂的「熱平衡」。

然而，熱平衡是通過物體和「水庫」不斷交換能量來維持的，因此，物體中的能量能以無窮小的數量上下波動，使其無法精確定義。另一方面，如果你想知道你的研究目標的精確能量等級，你就必須把它分離出來，這樣它就不能和任何事物發生接觸，交換能量；然而一旦你將研究目標進行隔離，你無法使用「水庫」精確測量它的溫度，這種限制使得溫度具有不確定性。

當你進入量子等級時，事情就變得更加奇怪了。

這是一個新的不確定關係，即使一種典型溫度計的能量有輕微的上升和下降，這種能量仍然可以在很小範圍內被告知。這項最新研究表明，在量子層面上，這完全不是真實的，完全是「薛定諤的貓」理論形成的。該思維實驗指出，一隻假設存在的貓放在盒子中，通過放射性粒子衰變激活，將導致它逐漸中毒。依據量子力學定律，這些放射性粒子可能同時處於衰變和未衰變狀態，意味著直到盒子被打開之前，這隻貓同時存在死亡和存活的可能性，這種現象也被稱為「疊加效應（superposition）」。

研究人員使用數學和理論來精確預測這種疊加效應如何影響量子物體的溫度測量。

開發這一新原理的是埃克塞特大學物理學家哈里·米勒（Harry Miller），他說：「在量子等級情況下，一個量子溫度計……將同時處於疊加能量等級，我們發現由於溫度計不再有明確定義的能量，而且實際上同時處於不同狀態的組合中，這實際上導致了我們能量測量溫度的不確定性。

在我們的世界裡，溫度計可能顯示某一物體溫度保持在31-32華氏度，但在量子世界裡，溫度計可能會告訴我們一個物體同時具有以上兩個溫度條件，新的不確定性原理能夠解釋量子古怪特徵。

在量子等級範圍內，物體之間的交互作用可以產生疊加效應，也可以產生能量。較早的不確定關係忽略了這些影響，因為它與非量子研究物體無關。但是當你試圖測量一個量子點的溫度時，這是非常重要的，這個新的不確定關係構建了一個理論框架，來考慮這些相互作用和影響。

米勒指出，這項最新研究報告可以幫助任何人設計實驗，測量物體在納米等級之下的溫度變化。我們的研究結果將揭示如何精確設計探測器，以及告訴人們如何解釋額外的量子不確定性。（葉傾城）

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