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奇怪的物理现象表明物体可以同时达到两个温度

薛定谔的猫有一个新朋友:薛定谔的温度计。

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著名的“薛定谔的猫”思想实验表明,盒子里的猫既可以是死的,也可以是活的——量子力学的一种奇怪现象。

一种新的不确定原理认为,量子物体可以同时处于两种温度,这类似于著名的薛定谔的猫思想实验,在这个实验中,一只猫被放在一个装有放射性元素的盒子里,它可以是活的,也可以是死的。

现在,英国埃克塞特大学的物理学家们发现,温度可能存在类似的不确定状态:在量子水平上,物体可以同时处于两个温度。这个奇怪的量子悖论是是几十年来第一个全新的量子不确定关系。

海森堡的其他原则

1927年,德国物理学家维尔纳·海森堡假设,量子粒子的位置测量得越精确,你就越不能精确地知道它的动量,反之亦然。这一定律后来成为了著名的海森堡测不准原理。

新的量子不确定性,表明你对温度的了解越精确,你对能量的了解就越少,反之亦然,这对纳米科学有很大的影响,纳米科学研究的是比纳米还小的难以置信的物体。这项新研究发表在6月的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。

20世纪30年代,海森堡和丹麦物理学家尼尔斯波尔在非量子尺度上建立了能量和温度之间的不确定关系。这个想法是,如果你想知道一个物体的确切温度,最好也是最精确的科学方法就是把它浸入一个“容器”中,比如说,一桶水,或者一个装满冷空气的冰箱,用已知的温度,让物体慢慢变成那个温度。这就是热平衡。

然而,热平衡是由物体和储层不断交换能量来维持的。因此,物体中的能量以无穷小的数量上下波动,使其无法精确定义。另一方面,如果你想知道你的物体的精确能量,你就必须把它分离出来,这样它就不能和任何东西接触,交换能量。但是如果你把它分离出来,你就不能用热源精确测量它的温度。这个限制使得温度不确定。

当你进入量子尺度时,事情会变得更加奇怪。

一种新的不确定性关系

即使一个典型的温度计的能量有轻微的上升和下降,这种能量仍然可以在很小的范围内被知道。这项新研究表明,在量子层面上,这完全不是真的,这都是薛定谔的猫造成的。这个想法的实验提出了一个理论猫在一个盒子里,毒药可以被放射性粒子的衰变激活。根据量子力学的定律,同一时间粒子可能衰变了也可能没衰变,也就是说,在盒子被打开之前,猫会同时死亡和存活,这种现象被称为叠加。

研究人员使用数学和理论来准确预测这种叠加如何影响量子物体的温度测量。

“在量子情况下,一个量子温度计……会同时处于能量态的叠加吗?”他是埃克塞特大学的物理学家之一,他开发了这一新原理。“我们发现,由于温度计不再具有明确定义的能量,而且实际上同时处于不同状态的组合中,这实际上导致了我们能够测量的温度的不确定性。”

在我们的世界里,温度计可能会告诉我们物体的温度在华氏31 – 32度(零下0.5 – 0摄氏度)之间。在量子世界里,温度计可能会告诉我们物体同时具有这两种温度。新的不确定性原理解释了量子的古怪。

在量子尺度上,物体之间的相互作用可以产生叠加,也可以产生能量。旧的不确定关系忽略了这些影响,因为它与非量子物体无关。但当你试图测量一个量子点的温度时,这是很重要的,这个新的不确定关系构成了一个理论框架来考虑这些相互作用。

米勒说,这篇新论文可以帮助任何正在设计一项实验来测量纳米尺度以下物体的温度变化的人。“我们的研究结果将告诉他们如何精确设计探测器,以及如何解释额外的量子不确定性。”

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