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星海微萤(文摘版)

为天文研究工作者、天文爱好者和大众提供有用的信息

 
 
 

日志

 
 

粒子物理学(2015 年 10 月 B)  

2015-11-02 20:42:04|  分类: 粒子物理学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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量子纠缠或许存在“金发女孩效应”(2015 10 12 日科技日报)

迄今最精确测量证实CPT对称性依然成立(2015 10 12 日科技日报)

张杰获激光核变领域国际最高奖(2015 10 12 日中国科学报)

中科大首次在宏观系统探索量子与经典界限(2015 10 13 日中国科学报)

欧洲核子研究委员会着手测试迷你加速器(2015 10 14 日中国科学报)

幽灵粒子为何4次获得诺奖青睐(2015 10 14 日上海科技报)

中国对撞机首次对撞成功(2015 10 16 日中国科学报)

迫近量子与经典之间的界限(2015 10 16 日中国科学报)

美核物理学家呼吁推进新中微子实验(2015 10 20 日中国科学报)

一千克沉几许(2015 10 20 日中国科学报)

荷兰科学家证实“量子纠缠”(2015 10 26 日参考消息)

神奇的中微子还会赢得诺奖吗?(2015 10 29 日科技日报)

 


科技日报 2015 10 12

量子纠缠或许存在“金发女孩效应”

为如何产生、控制和操纵量子纠缠带来了启发

 

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

科技日报北京1011日电(记者刘园园)就像童话故事《金发姑娘和三只熊》中所描述的,凡事都应有度,而不能超越极限,按照这一原则行事产生的效应,人们称之为“金发女孩效应”。一项新研究预测,量子纠缠(物质与光之间相互作用的状态)也存在这种效应,并提出宇宙在“既不太快也不太慢”的情况下起源。

据物理学家组织网报道,通过研究物质和光同时存在的系统(包括宇宙在内),研究人员发现,以适中的速度经历量子相变会产生最丰富、最复杂的结构。这些结构类似于平滑、空洞的空间中的“缺陷”。研究结果发表在美国物理学会主要会刊《物理评论A》上。

在日常世界中,一种物质可以在不同的温度条件下经历相变,例如水可以在足够热或足够冷的条件下变成水蒸气或冰。但是在量子世界中,一个系统可以在绝对零度的情况下经历相变,只要改变光和物质之间互相作用的量就可以。这种相变会产生量子纠缠。

科学界普遍认为,宇宙中星团、行星系统、星系等结构的诞生源于量子相变,而且经历相变的速度越快,产生的结构就越多。最新研究否定了这种说法。

“我们的研究认为宇宙是在适中的速度中被‘烹饪’出来的。”研究者之一、美国迈阿密大学物理学教授尼尔·约翰逊说。他把经历量子相变时光和物质高度纠缠的结构比作加热牛奶和燕麦时从无到有形成的粥块。如果以恰好的速度经历相变,这种结构会更为复杂,这类似于以恰好的速度烹饪时,粥块会更好吃。

该研究涉及多种规模不同的光与物质同时存在的系统,而且它所预测的量子纠缠的“金发女孩效应”可以在理想的条件下通过实验设备实现。研究人员正试图确定能够产生加强的量子纠缠效应的精确条件,以供其他研究人员在实验环境中实现他们所预测的情况。

最新研究为如何产生、控制和操纵量子纠缠带来了启发,也为开启超快量子计算、超安全量子密码、高精度量子计量学以及量子态隐形传输等下一代未来技术提供了钥匙。

 


科技日报 2015 10 12

迄今最精确测量证实CPT对称性依然成立

科技日报北京1011日电(记者刘岁晗)长久以来,物理学家一直致力于以更高的精度验证粒子在电荷共轭、空间反射、时间反演之后,物理定律不变的CPT对称性。参与欧洲大型强子对撞机(LHC)中重离子探测器实验(ALICE)的科学家在线发表于《自然·物理学》的文章称,他们对粒子的质量和电荷做了迄今为止最精确测量,结果显示CPT对称性依然成立。

在实证科学中,一个很重要的问题是,如果将测量范围扩大几个量级,现有公式和理论是否依旧成立。研究报告指出,此次试验中推导出的粒子与反粒子的荷质比,相较40余年前的研究精确度推进了两个数量级,从而以前所未有的精度在轻核范围内确证了CPT不变性。

ALICE探测器所进行的高能铅离子对撞能够以近似相等的速率生成原子核与对应的反原子核,依靠高精度追踪技术和粒子识别技术,科学家能够捕获重离子在高能碰撞过程中的各项数据,探测质子和中子形成原子核的过程与反质子和反中子形成反原子核的过程的细微差异。

通过曲率半径和飞行时间计算,可以推导出粒子的荷质比,它对CPT对称性的证实有着决定性的作用。高精度飞行时间探测器可以探测粒子与反粒子的到达时间,其精确度为80皮秒,结合时间投影室中测到的能量损失数据,科学家可以得到关于重氢核与反重氢核,以及氦-3原子核与反氦-3原子核,或是其他类似实验中粒子在运行轨迹的曲率和飞行时间方面的数据,进而推导出它们的荷质比差异。研究结果显示,被测的粒子与反粒子有着相同荷质比。故此,研究人员确认了原子核及其反粒子在现有测量范围内存在CPT对称性。

除了该项研究,在ALICE工作的科研人员还借由电磁热量计和新开发的用于探究LHC重离子碰撞中更罕见现象的Sampa芯片,对电子进行测量,试图了解重夸克(璨夸克和底夸克)的生成。

 


中国科学报 2015 10 12

张杰获激光核变领域国际最高奖

本报讯(记者黄辛)近日,中国科学院院士、上海交通大学校长张杰及其团队因在快点火激光聚变和强激光实验室天体物理研究上的重要贡献,在西雅图被美国核学会授予2015年度爱德华·泰勒奖。据悉,这是我国科学家首次获得激光聚变领域国际最高奖项。

如何控制聚变反应、实现持续的能量净输出,是科学界一直聚焦的重大科学问题。激光聚变是实现受控核聚变的一种途径。为实现核燃料的持续燃烧,科学家先后提出了中心点火激光聚变和快点火激光聚变等物理方案。其中,快点火方案有望大幅降低驱动激光的能量和激光等离子体的不稳定性,并因此广受关注。张杰及其团队对该问题进行了深入研究,实现了超热电子束流的定向产生和准直传输,为深入理解和控制快点火激光核聚变过程作出了重要贡献。

此外,张杰领导的国际联合研究团队在国内开创了实验室天体物理研究的新领域,在对黑洞周围的光电离、太阳表面的磁重联和喷流、超新星爆发导致的无碰撞冲击波等天体物理前沿问题的研究中取得多项重要突破,受到国际同行的高度评价。

据了解,爱德华·泰勒奖每两年在国际惯性聚变科学与应用大会上颁发,每次授予两名杰出科学家,以奖励他们在运用激光和离子粒子束产生高温高强物质进行科学研究及可控热能核聚变方面的前沿研究和领导力。

 


中国科学报 2015 10 13

中科大首次在宏观系统探索量子与经典界限

本报讯(记者赵广立)记者日前从中科院量子信息重点实验室获悉,该实验室李传锋研究组采用固态量子存储器首次实现在毫米尺度下量子相干性的实验验证,证实可用来判断量子与经典界限的Leggett-Garg不等式(以下简称LG不等式)被违背,为最终解决“薛定谔猫佯谬”并确定量子与经典的界限迈出坚实一步。相关成果日前发表于《物理评论快报》。

根据量子力学,微观粒子可处于叠加态上,这与日常看到的宏观物体永远处于确定状态(即宏观实在论)的经验相矛盾。这一矛盾也与量子测量问题直接相关。“薛定谔猫佯谬”关注宏观实在论和量子力学的矛盾,矛头直指量子力学的边界问题。1985年,LeggettGarg提出了LG不等式,希望通过实验检验薛定谔猫佯谬。

LG不等式的实验违背证明了两块宏观尺度分离的晶体内的集体激发模式可由量子力学精确描述,而经典描述被排除。

该实验观察了宏观物体内的微观激发的相干演化,是对量子与经典领域界限的一次有趣探索。这些结果提供了一种用于衡量量子性的普适手段,并可用于探测复杂系统的量子相干现象。

李传峰表示,下一步把多光子纠缠源和量子存储器结合,有望获得具有宏观性的量子叠加态,并将其用于LG不等式的实验检验。“由此,我们就可以划定量子力学的适用范围,从而最终解决薛定谔猫佯谬问题。”

 


中国科学报 2015 10 14

欧洲核子研究委员会着手测试迷你加速器

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

大型强子对撞机

 

全球最大粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)的所在地正迎来一台新机器。而这次,全部要点在于使它保持小巧。

近日,管理欧洲核子研究委员会(CERN)的理事会批准对一项名为高级尾场实验(AWAKE)的既定试验增加资助。CERN是欧洲领先的粒子物理实验室,位于瑞士日内瓦附近。AWAKE定于明年启动,将通过使粒子在等离子体中产生的电荷波上“冲浪”来为粒子加速。这是一种使未来加速器得以在更高能量上探寻物质和自然力的方法,同时不需要通常随之而来的设备尺寸和成本的增加。

尽管当LHC在本世纪30年代达到其使用寿命时建造更大型机器的计划正在推进中,但很多人担心,加速器的大小正接近极限,并且此类方案可能只会被证实因过于昂贵而无法实施。

“当你看到这些机器的预估成本和规模时,就会明白可能需要一种新的突破性体系。”德国高能物理实验室——DESY加速器物理学家Nick Walker表示。

诸如27公里长的LHC等传统对撞机,利用电场推动带电粒子在通道中移动。电场在某个频率上从正极转换成负极,这意味着粒子被持续向前推动,而每一次推动都会获得能量。不过,此类对撞机利用金属壁构成的腔体,如果电场过于强大,腔体会产生火花。因此,进一步增加粒子速度和能量的唯一方法是延长通道。

马普学会物理研究所物理学家Allen Caldwell介绍说,等离子体尾场加速器最早于上世纪70年代提出,旨在打破这种循环。它们通过等离子体发送带电粒子或激光脉冲,从而使电子和带正电离子在尾场中振荡。由此产生的交变正负电荷区形成使带电粒子进一步加速的“波浪”。只要在恰当的时间注入,这些粒子便能高效地“冲浪”。关键之处在于,随着这种电场比传统对撞机中的电场更加强大,相同距离的加速度能达到后者的1000倍。此类加速器在全球若干设备中以原型存在,但AWAKE将是CERN首次试验这项技术。(宗华)

 


上海科技报 2015 10 14

幽灵粒子为何4次获得诺奖青睐

——权威专家解读今年诺贝尔物理学奖含金量

王阳

106日,瑞典皇家科学院宣布将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳,以表彰他们在发现中微子振荡方面所作的贡献。这是中微子领域研究第4次获得诺贝尔物理学奖的青睐。中微子振荡的发现为何能获得2015年诺贝尔物理奖?中微子具有哪些奇特性质?中国的中微子实验取得了哪些成果和最新进展?

对中微子的研究是近几十年来物理研究的重大前沿方向之一,然而,其实验研究却是相当困难。108日,上海交大粒子物理宇宙学研究所所长、鸿文讲席教授季向东和副所长刘江来特别研究员来到交大闵行校区,为交大学子解读中微子研究成果和最新进展,以及两位科学家从事的中微子振荡研究为何有资格获得今年的诺奖。

“幽灵粒子”源于一个假说

人类生活在一个中微子充斥其间的世界。它是整个宇宙中数量第二多的粒子,仅次于光子。每一秒,都会有无数的中微子穿过我们的身体,而我们无视、无知、无觉。它是名副其实的“幽灵粒子”,以接近光的速度自由穿越地球,且几乎不和普通物质发生相互作用(只有弱作用),所以探测起来非常困难。因为质量远不如“哥哥”电子,季向东便将中微子形象的比喻为电子的“双胞胎妹妹”。

为了证明中微子的存在,科学家们为之付出了数十年的努力。“幽灵粒子”的诞生起初只是一个假说,科学家们观察到贝塔衰变中存在初态与末态之间的能量不守恒问题,而这种现象始终无法得到科学的解释。对此,Pauli1930年假设了一种可能性:在理论上假定存在一个看不见的粒子,带走了初末态之间能量差值。但其实预言者Pauli对此也是将信将疑。直到1956年,Clyde CowanFrederick Reins才成功探测到了中微子的存在,宣告这一“幽灵粒子”的真实存在,该成果于1995年被授予诺贝尔物理学奖。

后来,科学家Leon M. Lederman Melvin Schwartz Jack Steinberger 1961年首次探测到了穆子中微子,证实了存在不止一种中微子,因此获得1988年诺贝尔物理学奖。

中微子领域的第3个诺奖于2004年颁给了RaymondDavisMasatoshi Koshiba。前者是太阳中微子探测方面的先驱,后者则首次实时观测到“天外来客”——超新星中微子。太阳中微子探测和超新星中微子的探测标志着中微子天文学的开始。

地下深处捕捉中微子身影

科学的研究方法都是先有数据,再有理论,而在理论之上要有新的预言。加拿大萨德伯里中微子天文台(SNO)实验与日本超级神冈实验便解释、验证了新的预言:它们直接证实了太阳中微子的缺失是来自量子力学的振荡现象,同时发现了一个新的、大气中微子的振荡模式并且存在质量。因此,在刘江来眼中,今年的诺贝尔物理学奖可谓实至名归。

SNO实验采用重水中微子探测器,该设想最初是由一名加州大学欧文分校的中国学者陈华森(1942-1987)提出,其主要部分是一个直径12米的球形容器,里面装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸树脂制成,厚度为5厘米,容器的周围安装了9600个光电倍增管,用于探测伦科夫辐射的光子。探测器安装在安大略省萨德伯里附近的一个矿井里,深度达到6800英尺(2100米),这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。2001年,SNO的测量结果表明太阳中微子在到达地球途中,3类中微子之间发生了相互转化,即中微子振荡。

梶田隆章领导的超级神冈实验是对其导师Masatoshi Koshiba领导的神冈实验的升级。20世纪90年代,神冈探测器经过再次扩建后,将升级前的3000吨水切伦科夫探测器扩充至50000吨水切伦科夫探测器,灵敏度极大增强。它位于日本岐阜县一个深达1000米的废弃砷矿中,主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器,容器的内壁上安装有11200个光电倍增管,每个光电倍增管直径达0.5米,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切伦科夫辐射。梶田隆章便是借助此“庞然大物”发现了穆子中微子可以转换成其他的振荡现象,从而首次在世界上捕捉到了中微子的质量。而在标准模型中,中微子被认为是没有重量的,这一颠覆基本粒子物理学定论的结果,震惊国际学界。

我国该领域研究达到世界先进水平

原则上3种中微子之间相互振荡、两两组合,应有3种模式,其中大气中微子振荡和太阳中微子振荡已被超级神冈实验、SNO实验等多个实验证明,但第3种振荡则一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在(即其振荡几率为零)。2012年,由中国科学院高能物理研究所主导的大亚湾中微子实验组率先发现了第3种中微子振荡现象,并精确测量到该振荡几率,被国际同行专家认为是“完美的确认和漂亮的结果”。其中上海交大参与科研的团队承担着刻度系统的安装、调试、取数和物理分析工作,为帮助测量出新的中微子振荡几率,为取得这一世界性成果作出了关键性贡献。

此外,季向东领导的PandaX-III实验正在通过双贝塔衰变研究中微子是不是它本身的反粒子,这是该领域研究中最有希望的实验之一。目前,国际上有10多个实验都在向吨量级发展研究双贝塔衰变,美国计划在未来10年进行重大资金投入予以支持。虽然这个衰变过程至今还没观测到,但其实验结果对人们理解宇宙的形成和演化具有重大作用。

季向东表示,中微子物理应该有更多的发现,希望中国人未来能在这个领域作出重大贡献。他认为,大学应该鼓励以好奇心驱动为主的研究,历史上很多意义重大的科学发明都起源于人们的好奇心,每个科学发现或许起初缺乏实际用途,但从长远来看都会对现实生活发生重大影响。科学家们可能是在寻找一个完全不存在的梦想,但你要相信自己会有幸运的时候,那便能收获美妙的成果。正如今年获奖者阿瑟·麦克唐纳所说:“当你的探测器运行的时候,你在屏幕前静静地等待来自于太阳中心的粒子闯入探测器中发出微弱的光,它们在向你诉说给予我们能量的核反应的故事。你可以测量这些中微子,并通过分析它们探究自然界中深奥的秘密,这是一个无比美妙的经历。”

 


中国科学报 2015 10 16

中国对撞机首次对撞成功

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

同步辐射实验厅

 

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

北京正负电子对撞机建成

 

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

北京正负电子对撞机正电子源

 

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

北京正负电子对撞机超导磁铁支架

 

19881016日凌晨556分,我国第一座高能加速器——北京正负电子对撞机首次对撞成功。这是我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后,在高科技领域取得的又一重大突破性成就。

北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施;由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外型象一只硕大的羽毛球拍。北京正负电子对撞机是当时世界上唯一在τ轻子和粲粒子产生阈附近研究τ-粲物理的大型正负电子对撞实验装置,也是该能区迄今为止亮度最高的对撞机。

1990年建成运行以来,北京正负电子对撞机迅速成为在20亿到50亿电子伏特能量区域居世界领先地位的对撞机,优异性能为我国开展高能物理实验创造了条件,取得了一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果。如:τ轻子质量的精确测量、20亿到50亿电子伏特能区正负电子对撞强子反应截面(R值)的精确测量、发现“质子—反质子”质量阈值处新共振态、发现X1835)新粒子等;同时,BEPC“一机两用”,成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台,取得了包括大批重要蛋白质结构测定在内的重要结果。

北京正负电子对撞机(BEPC)占地总面积达57500平方米,由电子注入器、储存环、探测器、核同步辐射区、计算中心等5个部分组成。正、负电子在其中的高真空管道内被加速到接近光速,并在指定的地点发生对撞,通过大型探测器—北京谱仪记录对撞产生的粒子特征。科学家通过对这些数据的处理和分析,进一步认识粒子的性质,从而揭示微观世界的奥秘。

北京正负电子对撞机的建成和运行,为中国粒子物理和同步辐射应用提供了基本研究实验手段和条件,成为跨部门、跨学科共同享用的实验研究基地,使中国高能物理研究进入了世界前沿,取得了具有国际水平的诸如实现τ轻子质量精确测量等成果。

而且,正负电子对撞机所产生的同步辐射光作为特殊光源,可在生物、医学、化学、材料等领域开展广泛的应用研究工作。这带动了中国相关高技术产业的发展,促进了中国计算机、探测技术、医用加速器、辐照加速器和工业CT等产业的技术进步,产生了巨大的经济和社会效益。(沙森整理)

 


中国科学报 2015 10 16

迫近量子与经典之间的界限

本报记者 赵广立

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

薛定谔猫示意图

 

量子力学会是普适的理论吗?它应用的边界在哪里?从量子到经典世界是如何过渡的?这些问题自量子力学诞生之初就引起物理学界乃至哲学界广泛的讨论。如今,中国科学院量子信息重点实验室李传锋研究组似乎正在接近这个问题的答案。

英国大戏剧家威廉·莎士比亚在悲剧作品《哈姆雷特》中写道:“生存还是死亡,这是一个问题。”这句话用在“薛定谔猫”身上再恰当不过:箱中之猫是死是活,只有打开才能决定(知道)。

论起科学界最著名的猫,“薛定谔猫”当之无愧。

作为现代物理学的支柱理论,量子力学精确地描述了微观世界的粒子行为。以量子理论为基础,人类至今已发展出半导体、激光、核磁共振、电子显微镜、量子信息等一系列重大技术,量子力学的应用极大促进了人类物质文明的进步。然而,关于量子力学的理解与表述却众说纷纭,至今争议不断。“薛定谔佯谬”(即“薛定谔的猫”)就是最广为人知的一个。

微观“叠加态”的特点与宏观世界规律如此不同,物理学家如薛定谔也想不通。他在1935年发表了一篇题为《量子力学的现状》的论文,在论文中薛定谔编出了一个“薛定谔猫”的理想实验,试图将微观不确定性变为宏观不确定性,微观的迷惑变为宏观的佯谬,以引起大家的注意。果不其然,物理学家们对此佯谬一直众说纷纭、争论至今。

“薛定谔猫”到底能有多大?

事实上,1935年诞生了两个著名的佯谬。除薛定谔提出“薛定谔猫佯谬”外,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森还提出了“EPR佯谬”(EPR分别为三人名字首字母),质疑量子力学的不完备性。不过,这两大佯谬的关注点各有异同。

EPR佯谬关注局域实在论与量子力学的矛盾,它可由约翰·贝尔(Bell)于1964年提出的关于复合物理系统的‘Bell不等式’进行实验检验;薛定谔猫佯谬则关注宏观实在论和量子力学的矛盾,矛头直指量子力学的边界问题。”中国科学院量子信息重点实验室研究员李传锋告诉《中国科学报》记者。

他解释说,根据量子力学,微观粒子可处于叠加态上,这与我们日常看到的宏观物体永远处于确定状态(即宏观实在论)的经验相矛盾。宏观实在论否定“宏观量子叠加态”,认为猫要么死、要么活,不存在半死不活、既死又活的猫。

有人会说:“箱中之猫是死是活,看一眼就清楚了;电子在某种状态或是不在,测量一下不就知道了吗?”

并非如此,事实上,这一矛盾也与量子测量问题直接相关。当人们对电子的状态进行测量时,电子的“叠加态”就不复存在了,而是“坍缩”到“在某种状态”或是“不在该状态”两个状态的其中之一。也就是说,微观与宏观的不同在于观测之前——箱中之猫是死是活,在观测之前已成事实,并不以看或不看而转移;而微观电子坍缩前的状态,并无定论,直到测量它,才因坍缩而确定。

这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点。日常经验也告诉我们,像猫或者人这样的大型物体并不会像电子一样表现出量子叠加态。这是否意味着,量子物理学对大于某一个特定尺寸的物体基本不适用呢?如果是,微观与宏观之间的界限在哪里?

“罗杰·彭罗斯提出的引力坍缩理论认为正是引力导致量子世界必定有边界,从根本上否定了宏观量子叠加态的存在。”李传峰介绍说,1985年,LeggettGarg提出了Leggett-GargLG)不等式,希望能通过实验检验薛定谔猫佯谬。

“对LG不等式的实验检验可用于寻找量子与经典的界限,从而划定量子力学的适用范围。”李传峰告诉记者,“通俗的说就是回答‘薛定谔猫到底能有多大’的问题。”

LG不等式的实验检验

李传峰研究组就踏上了寻找量子与经典之间界限之旅。然而,目前Bell不等式已经在世界范围内得到广泛的实验检验,但关于LG不等式的实验检验却举步维艰。

“原因出在LG不等式的假设上。”李传峰对记者说,“原始的LG不等式基于两条假设,一条是宏观实在性描述,即系统总是处于宏观可区分状态中的一个;另一条是非破坏测量假设,即能够以不破坏系统状态及其后续演化的方式完成测量。其中非破坏测量假设饱受争议,它虽然符合人们日常生活的经验,但其正确性却无法进行实验检验。”

由此带来的后果是即便实验违背了LG不等式,人们依然没法判定是宏观实在性假设还是非破坏测量假设出了问题。2010年至今几个检验LG不等式的实验都存在这一明显不足。

该实验室博士生周宗权向《中国科学报》记者介绍说,自2010年至今,国际上已有几个研究组在单个光子、单自旋、单原子以及微米尺度的超导系统内执行了多个LG不等式的实验检验,主要测量手段包括弱测量和负性测量。然而无论弱测量和负性测量,都存在着“无法知晓测量破坏性”的漏洞。

弱测量是基于量子力学的一种概念,它本质上只是降低了测量的“量子破坏性”,其破坏性与强测量并没有区别,对实在论者并无意义。负性测量是指测量装置只观测两种结果中的一种,如果观测到就丢弃结果,未观测到则推测系统处于另一个状态且认为系统演化未受影响。这种看法符合人们生活的经验,但它在不同理论框架下的正确性却备受怀疑,一个典型反例是波动力学框架下的单缝衍射。

“测量是测量者获取被测系统信息的唯一手段,作为测量者也就几乎永远无法知道测量的破坏性。目前这些LG不等式的实验检验都存在这一显著漏洞。”李传峰指出,并且这些实验都局限在单个微观粒子或者微米尺度的超导系统中。

追索量子与经典的界限

为避开非破坏测量假设,德国乌尔姆大学教授Huelga1995年提出静态假设型的LG不等式,并将该理论于2014年进一步发展。

“由于静态假设的正确性可以独立检验,因此这个不等式的违背可以严格归因于宏观实在性描述的不正确性。”李传锋说,他们的研究小组已与Huelga教授展开合作,并在实验上验证了这个新型的LG不等式。

李传锋研究组建立了我国首个固态量子存储研究平台,并在国际上率先实现了光子偏振态的固态量子存储和高维纠缠态的固态量子存储。近来,他们基于量子存储平台在国际上首次发展出一种全新的偏振依赖的原子频率梳技术,可以实现存储器集体激发模式精确可控的动力学演化——这就满足了LG不等式检验所需要的系统演化。

研究组基于窄带参量光技术制备了880nm的“预报单光子”,该单光子被送入两块空间分离2mm、厚度各为3mm的稀土掺杂晶体中,并激发出存储器集体激发模式的量子叠加态,其演化结果证实了对新型LG不等式的违背。

“关于该量子态的宏观性是个有趣的话题,我们的晶体尺寸为人眼可见的毫米尺度。”周宗权告诉记者,集体激发模式涉及了约1010Nd离子的集体行为,然而所考虑的两个状态真正的可区分度只是一个光子。

该研究结果已于近日发表在《物理评论快报》上。审稿人高度评价该成果:“该工作发展了全新的手段检验LG不等式……这一工作超越了前面的工作,它既严格检验了静态假设,又观察了宏观空间尺度下的量子态演化。这个工作显然会引起广泛兴趣,因为它为探索量子与经典界限的广泛的努力作出了贡献。”

“按照Leggett提出的宏观性判据,这个量子态只能看作是宏观物体内的微观量子激发。”李传峰介绍说,在此工作的基础上如果能增多系统的粒子数,则预期LG不等式的违背会越来越小,当到达一定数目的时候将不再违背LG不等式,这一粒子数目就可以看成是量子与经典的界限——并且这一粒子数目很可能在不同大小的引力场中是不同的。

“由此我们就可以划定量子力学的适用范围,从而最终解决薛定谔猫佯谬问题。”李传峰说。

链接: 薛定谔猫

薛定谔猫是诸多量子困惑中颇具代表性的一个。一只猫被封在一个密室里,密室里有食物也有剧毒的氰化物毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。

原子核的衰变是随机事件,物理学家无法知道,它在什么时候衰变。当然,物理学家知道它衰变的几率——也就是猫在何时死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死、或者活,这是它的两种本征态。但是,如果用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。

薛定谔借“半死不活、又死又活”的“箱中之猫”,来阐述宏观尺度是否遵从微观尺度的量子叠加原理的问题,巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来,以此证明量子力学在宏观状态下的不完备性(赵鲁整理)

 


中国科学报 2015 10 20

美核物理学家呼吁推进新中微子实验

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

美国应该掌握主动权,尽快上马一项大规模试验,探寻一种核衰变的假设类型——只有当难以捉摸的、几乎没有质量的中微子作为自身的反粒子时才会出现的一种衰变。这是美国核物理学家在一项新长远计划中提出的4项建议之一。这项计划于1015日被提交给华盛顿特区联邦顾问小组,它将形成美国能源部(DOE)和国家科学基金会(NSF)未来十年的长远计划。如果研究者能够发现新衰变(他们希望在3年内开始这项实验),那么这项发现将会重写核物理和粒子物理学教科书。

这项报告已被物理学家和核科学顾问委员会(NSAC)一致通过,随后很快就得到了DOE的官方肯定。 “这是一项富有雄心的计划。”DOE科学办公室管理51亿美元的代理主任Patricia Dehmer说,她表示今年办公室将在这项核物理项目上花费5.96亿美元。“这项工程站立在过去研究的基础上,其未来前景将非常宏伟。”她说。

正如所预期的那样,这项计划还建议美国核物理学家最终建造一个新的对撞机——可以把一束电子粉碎成一束质子或是较重的原子核。但这项报告并未就何时建成这台对撞机设定具体时间,并表示该项目最早将在20年代末完成。尽管如此,物理学家和DOE官员均表示,这项建议(在报告中排列第三位)非常值得注意,因为它表明了美国物理学界对于建造该对撞机的一致愿景。“我认为这在建造对撞机的目标上起着决定作用。”

然而,这项报告最置顶的一项建议则是让研究者首先最大限度地利用好美国现有的三大核物理设施。弗吉尼亚州托马斯·杰弗逊国家电子加速器实验室的物理学家正在对其下属的连续电子束加速器设施(CEBAF)进行3.38亿美元的升级,他们主要用该项目探索质子和中子的内部结构。密歇根州立大学的物理学家正在建造斥资7.3亿美元的放射性同位素束流装置(FRIB),这台线性加速器将在2022年完成,其目的是生成奇异核,并研究其结构。最后,自从2000年起,纽约布鲁克黑文国家实验室的物理学家就利用其下属的相对论重离子对撞机(RHIC)粉碎金等物质的核子,并把相关质子和中子熔合成宇宙诞生时的无定形等离子体——即被称作夸克和胶子的粒子。

新计划呼吁使这三项设施协同使用,尽管RHIC已经接近其寿命终点。“我们要让RHIC再工作5~7年。”伊利诺伊州阿贡国家实验室物理学家、NSAC主席Donald Geesaman。(鲁捷)

 


中国科学报 2015 10 20

一千克沉几许

重新定义千克试验经多年努力达成一致

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

“国际千克原器”的复制品

图片来源:Andrew Brookes

 

几十年来,计量学家一直试图停止使用“国际千克原器”。这是一个由铂铱合金制成的圆柱体,126年在从法国巴黎郊外一个戒备森严的地下室里对千克进行着定义。如今,看上去计量学家至少掌握了用基于数学常数的定义替代该圆柱体所需的数据。

这一突破的到来恰逢其时。科学家原定于2018年对包括安培、摩尔和开尔文在内的多个单位进行重新定义,千克也包括在内。近日,国际计量委员会(CIPM)在巴黎会面,探讨了下一步要采取的举措。

“这是一个激动人心的时刻。”美国国家标准与技术研究院(NIST)物理学家David Newell说,“它是全球科学家长时间不懈努力的结果。”

千克是唯一一个仍基于实物的国际单位制。尽管从基本常数的角度对其进行定义的试验在上世纪70年代便有描述,但直到去年,才有研究团队利用两种完全不同的方法均获得了足够精确的结果,而两种结果的一致程度足以推翻千克的实物单位定义。

虽然重新定义不会使千克变得更加精确,但将使其更加稳定。实物会随着时间的流逝失去或获得原子,甚至被破坏,而常数能保持不变。国际计量局(BIPM)质量工作组前负责人Richard Davis表示,基于常数的定义至少从理论上,将使地球上任何地方的人都能进行精确的千克测量,而不是只有那些在法国“保险柜”的人才能做到。

2011年,CIPM正式同意从普朗克常数的角度表达千克。普朗克常数将粒子的能量同其频率并且通过E=mc2等式在同其质量关联起来。这意味首先要利用基于现有千克参考量的试验设定普朗克数值,然后利用这一数值定义千克。CIPM质量咨询委员会建议,普朗克常数3个独立的测量值应当一致,并且其中两个应利用不同方法。

一种方法由名为阿伏伽德罗项目的国际团队首创。它涉及在两个硅-28球体中对原子进行计数,其中每个球体的重量和千克参照量相同。这使其得以计算出一个阿伏伽德罗常数,而研究人员会将其转化成普朗克常数值。另一种方法利用的是一台被称为瓦特天平的设备,通过称重测试质量产生普朗克常数值,而测试质量根据千克参考量和电磁力的对照进行了校正。

事实证明,达成一致非常困难。“我认为,每位计量学家都在担心,‘如果两个数值永远不一致,该怎么办?’”Davis说。

然而,在协调阿伏伽德罗项目的德国国家计量研究院(PTB)院长、CIPM单位咨询委员会主席Joachim Ullrich看来,经过3年的不懈努力,这种担心被证明是没有必要的。在隶属于加拿大国家研究委员会(NRC)的测量科学和标准实验室购买并重建了原建于英国国家物理实验室的瓦特天平后,首个进展的迹象出现了。

在一个新的实验室中,全新的NRC团队将一些被预测过但尚未予以解释的系统误差考虑进来。20121月发表的相关成果同阿伏伽德罗项目的硅球体试验结果更加接近。

不过,国际科技数据委员会(CODATA)基本常数工作组组长Newell表示,这仍然使来自NIST的试验结果保持着异常值。每4年,该工作组会通过将迄今所获得的全部试验结果考虑在内,为普朗克常数等提供一个最好的数值。“我们带来了一个全新的研究团队,仔细检查每个部件,并且查看了每个系统。”然而,他们从未发现导致结果不一致的原因。2014年年底,NIST团队终于同其他两个团队实现了匹配。与此同时,他们将试验结果的不确定性缩小到规定水平以内。

今年8月,当CODATA发表其关于普朗克常数的最新值时,数值的不确定度为12ppb1ppb为十亿分之一),仅超过CODATA此前所报告数值的四分之一,并且在CIPM的要求范围之内。

1015日~16日于BIPM举行的会议上,CIPM探讨了下一步举措。这包括对在2018年国际计量大会上有望重新定义安培、摩尔、开尔文和千克的决议草案的讨论。BIPM仍在忙于起草一份将使无法利用瓦特天平或硅球体装置的团队利用新的千克定义的协议。

不过,目前仍有一些烦心事。各团队不得不在201771日,即普朗克常数值被修正前发表进一步的数据。在这个截止日期前,Ullrich团队计划在试验中利用一批来自俄罗斯的新球体装置。他希望,这将产生更加精确的普朗克常数值,但可能会使试验结果再次出现分歧。“然后,我们将陷入麻烦当中。”Ullrich说,“但我非常有信心,这不会发生。”Newell对此表示赞同。

如果他们被证明是正确的,那么2018年,国际千克原器将成为珍藏品。“我们会保留着它。”Davis说,“只是它不会再定义任何事情。”(宗华)

 


参考消息 2015 10 26

爱因斯坦错了?

荷兰科学家证实“量子纠缠”

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

 


科技日报 2015 10 29

神奇的中微子还会赢得诺奖吗?

本报记者 华 凌

粒子物理学(2015 年 10 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

位于南极的“冰立方”中微子天文台

 

看上去不起眼的中微子粒子,今年已是第四次使研究者荣获诺贝尔物理学奖了,之前的三次分别是在1995年、1988年和2002年。尽管比其他亚原子粒子小百万倍,但中微子在物理学上具有重大意义,可能是解开宇宙中一些尘封秘密的关键所在。最新一期的《对话》分析文章提出了这样一个问题,有关中微子研究的前沿在何处,它会让我们发现什么呢?

远比想像的更有趣

物质由基本粒子构成。大多数人都听过电子、中子和质子,或许还有夸克,中微子组成了中子和质子。但对于我们而言,中微子是最令人惊奇的基本粒子。它们无处不在,每一秒钟倾泻到1平方厘米地球表面的中微子约有650亿个,这些由太阳核聚变所产生的微小粒子总是倏忽而过。

由于中微子几乎不与其他物质发生相互作用,今年的诺贝尔物理奖获得者东京大学教授梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳,为了捕捉到它们,不得不建立灌满成千上万吨水的巨大探测装置。在研究中,他们发现中微子远比我们想像的更为有趣。

一个正在太空中飞越的中微子,会明显连续以中微子的不同“类型”转换,改变它们与物质相互作用的方式,这就是所谓的中微子振荡。你不妨将其想像成这样一个图景:有一个小家伙在以接近光的速度运行,不断更换它外套的颜色。如果中微子有质量,它们肯定只能这样做。而从已发表的实验结果来看,中微子被认为没有质量。显然,今年诺贝尔物理奖得主的研究具有里程碑意义。

反中微子惹人好奇

中微子身上迷人的特性已显露无遗。2000年左右,大量建立在中微子具有质量这一基础上的实验成功地发现了更多的细节。然而,这些新发现也一如既往地引发了更多的问题。如今,人们已经很详细地研究了中微子振荡,并对它有了很好的了解。

但一个非常重要的问题在于:有没有反中微子,其与中微子振荡的极性相反?所有粒子都具有反粒子,例如,常见的带负电荷的电子,有正电子作为其反粒子,但是具有正电荷得是在核反应中产生。然而中微子不带电荷,也很难搞清楚其反粒子会是什么样。也许,它们几乎相同,而行为表现不同。

揭开反物质的秘密

探寻中微子和反中微子以不同的方式互相作用,可能会对解决物理学中最大的谜团之一,即“为什么整个宇宙只是由物质构成”产生深远影响。大多数人相信,在宇宙大爆炸期间,物质和反物质被等量生成。那么,所有的反物质到哪里去了?我们知道,反物质和物质无论何时相遇,都会毁于刹那间。也许为了避免终极毁灭,它才不出现在周围吧!不然,所有的物质也将不复存在了。

关于反物质,被当前多数人认同的主要解释之一是物质的行为不同于反物质。但是,仅弄清中微子和反中微子是如何改变自身“外套颜色”尚不能提供完整全貌。答案或许来自有关中微子的第二个秘密,即为什么中微子的质量小得如此令人难以置信?

是否有过重中微子

在标准模型中,中微子比其他粒子轻得多。中微子产生的质量是不同的,如果这种说法正确,那么可能存在两个版本的中微子:一个是今天观察到的具有极微小质量的中微子,另一个则是大量存在于宇宙诞生时的相对较重的中微子。

理论计算指出,如果这些重中微子具有与其行为不同的反粒子,那么它们随后会衰变成若干像电子和正电子一样更小的粒子。而这一切会“不对称”地发生,这意味着在衰变时反粒子比正粒子创建的少。在早期宇宙条件下,这可能会导致相对少的残留物质形成了我们今天的宇宙。

难怪科学家们会投入这么多的精力了解中微子的性质。搞清楚这些中微子真实性质的唯一途径是寻找一种极其罕见的被称为“无中微子双β衰变”的核衰变。为了观察到这种衰变,许多实验室正准备对大量的同位素展开研究。

中微子组成暗物质?

中微子可能也为天体物理学家观测到的令人困惑的数据提供解释。数据表明,宇宙中还存在很多我们无法直接观察到的暗物质,它们比我们所观察到的物质大约多5倍。

2000年左右,有人认为,幽灵般的中微子可能是暗物质,但现在知道,它们都不够重。科学家观察到三种类型的中微子:电子中微子、μ中微子和τ中微子,而且似乎还有这三种类型以外的其他类型粒子。那么,问题是是否存在可以解释暗物质的额外中微子呢?

目前,许多中微子振荡实验是在搜寻既有中微子振荡理论的破绽。此外,天体物理学家也在追踪宇宙射线中额外中微子的迹象。

构成暗物质的究竟是什么,宇宙中为什么正物质比反物质多,这是现今物理学最重要的两个问题。如果能够将其解决,甚至只是弄清楚为什么中微子是如此之轻,都将是一个重大的突破。如今在世界范围内许多实验室之间展开了竞赛,正在试图弄清楚这些问题。

由此可见,神奇的中微子为摘取下一个诺贝尔奖还提供了大量的机会!

 

 

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