Aaron O'Connell談瞭解可見的量子物體

Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object

物理學家們已習慣於遵循量子力學奇特規則的次原子粒子行為,這個概念完全不同於人類眼中的一般物體。在一項突破性實驗中,Aaron O'Connell藉由製造出一種肉眼可見,但證明能同時出現在兩個地方的物體,模糊了它們之間的差異。在這次講座中,他提出一個有趣的方式來思考這個結果。

講者介紹

Aaron O'Connell

Aaron O'Connell是第一個藉由觀察人造物體的運動,以實驗推導並測量量子效應的人,因而將量子世界和古典物理世界連結起來。

成長過程中閱讀哲學、彈吉他,一向未思及科學的Aaron O'Connell,從未想過自己會徹底改變物理世界。但一個激勵他的「砲彈飛猴」物理示範實驗,以及大學時期一連串成功的研究經驗,驅使他進入加州大學聖塔芭芭拉分校研究所就讀。 這個實驗的傑出之處在於它的概念簡單但技術困難,O’Connell是第一個用大到肉眼可見的物體測量量子效應的人。這個實驗打破了之前最大量子物體紀錄,《科學》雜誌將其譽為「年度突破」,證明了量子世界和日常世界之間並沒有明確界線。 「死一般的寂靜-然後掌聲轟然響起。我還記

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Aaron O'Connell談瞭解可見的量子物體

  • 這是你大腦的展示圖。你的大腦可以分成兩部分,有左半邊掌管邏輯的部份,以及右半邊掌管直覺的部份。如果我們用一個刻度去衡量每個半球的能力,就能繪製出我們的大腦。例如,這是某個完全以邏輯思考的人,這是某個完全憑藉直覺的人。那麼,你會將你的大腦放在這個刻度上什麼地方?有些人可能選擇了其中一個極端,但我認為台下大多數聽眾的大腦是像這樣的,兩個半球同時具有很高的潛能,它們並不會相互排斥之類的,你可以同時具有邏輯和直覺。

    我自認跟大多數其他實驗量子物理學家一樣,必須有很好的邏輯思維,來把這些複雜的想法串連起來,但同時,我們需要一個好的直覺,以使實驗確實進行。我們如何培養這種直覺?我們喜歡把玩東西,因此,我們走出實驗室把玩東西,觀察它如何反應,然後藉此發展我們的直覺。事實上你做的也是同樣的事。

    展開英文




  • 有些直覺你可能培養了很多年,像是一個物體只能同時在一個地方出現。我的意思是,想到一個物體同時出現在兩個不同的地方聽起來很怪,但你不是與生俱來就有這個概念,這是後天培養的。我記得看過一個孩子在阻車器上玩,他只是還在學步的幼兒,不是很會走路,他不斷地跌倒,但我敢打賭,跟阻車器玩耍教了他相當寶貴的一課。這麼大的物體不會讓你直接穿過,它們固定在一個地方。

    這是世上所具有的一個很棒的概念模型,除非你是一位粒子物理學家。對粒子物理學家來說,這是個很糟的模型,因為他們把玩的不是阻車器,而是這些怪異的小粒子。當他們研究這些小粒子時,發現它們表現出種種相當奇怪的現象,彷彿它們能穿牆而過,或同時出現在兩個地方。因此,他們寫下所有的觀察結果,並將其命名為量子力學理論。

    這就是幾年前物理學的發展狀況。你需要量子力學來描述細小、微小的粒子,但你不需要用它來描述我們周遭那些大的日常物品。這不是很符合我的直覺,也許是因為我不太常把玩微粒,好吧,我有時會研究它們,但不太頻繁,而且我從來沒見過它們。我的意思是,沒有人曾見過一個微粒,但這也不是很符合我的邏輯觀念,因為如果一切事物都是由小粒子組成,而所有小粒子都遵循量子力學,那所有事物不是都應該遵循量子力學嗎?我看不出有什麼不該遵循的理由。如果我們能以某種方式,顯示日常生活中每件事物也都遵循量子力學,我對這整個情況的感覺會好多了。因此,幾年前,我開始著手進行這件事。

    展開英文




  • 所以我做了這個。這是第一個你能看見的以量子力學疊加製成的物體,我們在這裡看到的是一個微型電腦晶片,你大概可以看到中間那個綠點,這就是我稍後要講的金屬。這是這個物體的照片,我將這裡放大一點點,我們看到的是它的正中心,這是這個小金屬片非常大的特寫,我們看到的是一小塊金屬,它的形狀像一個跳水板,從一端伸出,我用幾乎和製造電腦晶片相同的方法製造出這片金屬。我帶著一個新的矽晶片進入無塵室,然後在這些大型機器中操作了大約100小時。為了最後的成品,我不得不自行製造一台機器,在這個設備下方開了一個泳池形的洞,這個設備有進行量子疊加的能力,但它需要一點幫助才能做到。

    我來做個比喻,你知道在一個擁擠的電梯裡有多不舒服嗎?我的意思是,當我獨自在電梯中時,會做各種奇怪的事,但當其他人進來時,我就停止做這些事,因為我不想打擾他們,或坦白說,嚇到他們。因此,量子力學顯示,無生命物體也表現出同樣情形。這些隨後進來的無生命乘客,不只是人,還包括照射它的光、吹拂而過的風和室內的熱度。因此我們知道,如果我們想看這片金屬表現出量子力學的行為,必須踢走所有其他乘客。

    展開英文



  • 所以這就是我們所做的。我們關了燈,然後將它放在真空抽氣機中,抽出所有空氣,將它冷卻到稍高於絕對零度。現在,這小金屬片獨自在電梯裡,可以為所欲為。我們測量了它的運動,發現它用相當奇怪的方式運動。它並非完全靜止,而是在振動,它振動的方式就像某種呼吸-就像風箱的擴張和收縮。將它輕微撞擊一下,就能讓它同時振動及不振動,這是某些只有在量子力學下才會發生的事。

    我在這裡告訴你們的是一些相當奇妙的事,一個物體同時既振動又不振動是什麼意思?我們考慮一下原子,在某種情況下,組成這塊金屬的億萬個原子是靜止不動的,同時,這同樣的原子正上下移動,只有在某特定時間,它們的運動是一致的,其餘時間它們是非定域的。這意味著每一個原子同時身處兩個不同地方,這又意味著整塊金屬片是在兩個不同地方,我認為這真的很酷。(笑聲)真的。

    (掌聲)

    展開英文



  • 這些年來,我把自己鎖在無塵室做這些很值得,因為,仔細想看看,單一原子和金屬片的比例差距,大約和金屬片跟你的比例差距是一樣的。所以,如果一個原子可以同時在兩個不同地方,金屬片也可以在兩個不同地方,那為何你不能呢?我的意思是,這只是我掌管邏輯那一側大腦的想法。想像一下,如果你同時身處在多個地方會是什麼情形?你的意識如何掌控你身處在非定域空間中的身體呢?

    這故事還有另一個部份。當我們把它加熱,打開燈光,觀察盒中時,我們看到這片金屬仍是完整的一塊,所以我不得不發展出這個新直覺。似乎所有電梯中的物體,事實上都只是被塞進一個極小空間的量子物體。

    你們聽過很多關於量子力學認為萬物都互相聯繫的說法,嗯,這不完全正確,它不只如此,它是更深奧的。正是這些聯繫,你跟周遭萬物的聯繫,真正定義了你是誰,這就是量子力學的深奧和不可思議之處。

    謝謝。

    展開英文