研究指出影響粒子飛行的非牛頓力

引號具有傳統(tǒng)的力量 - 以及它們背后的武力傳統(tǒng)。

當(dāng)內(nèi)布拉斯加州的赫爾曼·巴特拉恩及其同事最近提交了一份研究論文，證明存在非牛頓量子力量時(shí)，該期刊要求他們將“力量”牢牢地置于引號內(nèi)。該團(tuán)隊(duì)理解并同意該請求。

畢竟，這個(gè)詞長期屬于古典牛頓物理學(xué)：相反和相反的反應(yīng)，電磁學(xué)，引力和其他定律，解釋了日常經(jīng)驗(yàn)中的蘋果掉落和頭部現(xiàn)象。

相比之下，Batelaan和他的合作者在量子物理學(xué)的背景下使用了這個(gè)詞來描述無限小 - 其中亞原子粒子的位置和速度是由概率而不是精確值定義的，其中電子同時(shí)表現(xiàn)得像兩個(gè)粒子和波浪，以及其他違反直覺的模糊性統(tǒng)治這個(gè)領(lǐng)域的地方。

這個(gè)領(lǐng)域在1959年變得更加模糊，當(dāng)時(shí)一項(xiàng)擬議的實(shí)驗(yàn)表明，僅靠近古典力量 - 而不是力本身 - 可以將自己強(qiáng)加于物質(zhì)世界。在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)電子流在線圈的任一側(cè)航行，其磁場完全與那些電子隔離。

盡管電子流都沒有通過實(shí)際磁場，研究人員確定電子的量子概率將經(jīng)歷可測量的變化，這取決于磁場的強(qiáng)度。后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種所謂的Aharonov-Bohm效應(yīng)的存在。

但如果奇怪效果的存在是無可爭辯的，那么它的本質(zhì)就不是。Batelaan的博士后顧問之一Anton Zeilinger介紹了一個(gè)定理，表明Aharonov-Bohm效應(yīng)并不代表或產(chǎn)生一種力量。當(dāng)Batelaan和其他人的后續(xù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種效應(yīng)沒有延遲電子的到達(dá)時(shí)間時(shí) - 預(yù)計(jì)會有一種力量 - Zeilinger定理得到了廣泛的支持。

然而，在Zeilinger提出他的定理之后的幾年，物理學(xué)家安德烈·謝蘭科夫和邁克爾·貝里通過斷言Aharonov-Bohm效應(yīng)確實(shí)來自力量的量子等價(jià)來反駁它。即使這種力量沒有使電子減速，Shelankov預(yù)測它可以通過偏轉(zhuǎn)它們來改變它們的飛行軌跡。

“本身，你可以理解每種理論的推導(dǎo)，”內(nèi)布拉斯加州物理學(xué)和天文學(xué)教授Batelaan說。“他們看起來都很正確，但他們彼此沖突。所以我們絞盡腦汁想出一個(gè)能給出兩個(gè)答案的理論。我們知道必須有一個(gè)更大的框架。

“它要求解決理論沖突。它要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”

所以Batelaan和他的同事，包括前博士生顧問Maria Becker，為自己設(shè)定了一個(gè)崇高的目標(biāo)：展示Shelankov的預(yù)測，同時(shí)也適應(yīng)Zeilinger的定理。他們在安特衛(wèi)普大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)類似于之前的許多實(shí)驗(yàn)：電子束向納米級棒的方向航行，其磁場與粒子隔離。當(dāng)棒的磁化強(qiáng)度為零時(shí)，電子在反彈后形成的波狀圖案 - 類似于水中重疊的波紋 - 是對稱的。

然而，當(dāng)團(tuán)隊(duì)提高磁化強(qiáng)度時(shí)，那些衍射圖案變得不對稱 - 間接證據(jù)表明非牛頓力向左或向右推動電子。正如團(tuán)隊(duì)預(yù)期的那樣，扭轉(zhuǎn)磁化方向也會顛覆不對稱的方向，進(jìn)一步支持量子現(xiàn)象的概念，這種現(xiàn)象可以像古典牛頓力一樣影響物質(zhì)。

Zeilinger定理?根據(jù)團(tuán)隊(duì)的分析，他所做的理論假設(shè)不適用于研究所暗示的側(cè)向運(yùn)動。鑒于此，Batelaan說，這項(xiàng)研究并沒有使Zeilinger無效。相反，該團(tuán)隊(duì)在數(shù)學(xué)上表明，其Shelankov預(yù)測結(jié)果和Zeilinger定理是一個(gè)總體定理的兩個(gè)特例。

Batelaan粗略地將這種情況與一個(gè)球開始沿??平坦平臺滾動的情況進(jìn)行了比較。緩慢升高和降低該平臺可以在一個(gè)平面上改變球的目的地，即使其速度和到達(dá)時(shí)間保持不變。俯視平臺，觀察者可能會錯(cuò)過任何轉(zhuǎn)變; 只有在改變觀點(diǎn)后才會顯而易見。

Batelaan說，觀點(diǎn)問題也可以解釋這項(xiàng)研究。古典力量在當(dāng)?shù)剡\(yùn)作，只影響與這些力量相鄰的物質(zhì)。但量子力學(xué) - 特別是量子糾纏，其中一個(gè)粒子的變化同時(shí)表現(xiàn)在另一個(gè)糾纏的粒子中，理論上可以在光年之外 - 不受距離的約束。

Batelaan表示，該團(tuán)隊(duì)的結(jié)果可能被解釋為同樣非本地力量的證據(jù)。

“在這里，我們的情況是非本地的，但不像量子糾纏，”Batelaan說。“這是一個(gè)單粒子現(xiàn)象，而不是一個(gè)雙粒子現(xiàn)象。那么，沒有力量發(fā)生的事情的想法是否可以在不同的背景下應(yīng)用?這是非常罕見的。這是非常非常特殊的。我認(rèn)為我們是什么到這里確實(shí)是另一個(gè)例子。

“我覺得這強(qiáng)調(diào)了大自然可能不是本地的想法。這是一個(gè)很大的問題。我在這里做的事情會影響其他地方的事情，沒有明確的中間人嗎?”

Batelaan找到證據(jù)的事實(shí)并不意味著他必須喜歡它。

“我覺得這很惡心，”Batelaan笑著說道。“我生活在古典世界。我在周圍看到的一切都是因?yàn)榱α慷l(fā)生的。如果有沒有力量發(fā)生的事情，為什么我不能使用它們?為什么沒有更多的例子?

“作為一種物理原則，它必須無處不在。但我們(可能)只是太盲目而無法看到它。”