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2017年8月7日星期一Tel:(010)62580617 主编:赵路编辑:唐凤校对:何工劳E-mail押lzhao@ INTERNATIONAL国际
3 狡猾量子颠覆因果 量子实验甚至修改“时间”概念 科学线人 全球科技政策新闻与解析 阿姆斯特丹将清理公共场所共享单车 爱因斯坦散步时,要穿过两扇门。
他先穿过一道绿门,然后穿过一道红门;或者他能先穿过红门再穿过绿门吗?两种选择,非此即彼。
不过,他通过这两扇门时一定有先后次序,对吧? 但如果爱因斯坦是乘着维也纳大学PhilipWalther实验室的光子飞行的话,或许情况就没那么简单了。
Walther研究组已证明,当光子在实验室内高速飞行时,是无法判断它们是以哪种次序通过两道门的。
这并非因为丢失或破坏了次序信息,而是因为这个信息根本不存在。
在Walther的实验中,事件发生并没有明确的先后顺序。
2015年的这一发现让科学家意识到,量子世界比他们之前认为的更匪夷所思。
Walther的实验打破了“一件事导致了另一件事”的因果逻辑。
这就像之前物理学家搅乱时间这个概念,让人感觉它能同时向两个方向流逝。
实际上,在量子理论的数学体系中,因果关系上的模糊性是完全符合逻辑的。
研究人员还认为,非因果系统可以进一步推动颇具潜力的量子计算的发展。
中国香港大学量子理论学家GiulioChiribella说:“如果有不受因果规律限制的量子计算机,那么它有可能在解决某些问题时比传统量子计算机速度更快。
” 此外,由于因果是关于物体间如何通过时空产生相互作用的规律,这种新的视角或许能帮助人们解决当今物理学最大的挑战之
一。
Walther的合作者、维也纳量子光学与量子信息研究所理论物理学家CaslavBrukner说:“因果关系处于量子力学与广义相对论的交界处,因此有可能成为我们探索如何融合两大理论的切入点。
” 时间的混乱 因果性就一直是量子力学中的一个关键问题。
20世纪30年代中期,爱因斯坦质疑了由尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出的量子力学的随机性。
玻尔与海森堡提出的哥本哈根诠释认为,量子测量的结果是随机的,并且只可能决定于测量的瞬间。
但是在1935年,爱因斯坦和同事BorisPodolsky、NathanRosen(根据其姓氏首字母,合称EPR)提出了一个著名的思想实验,将玻尔对量子力学的解释推到了一个貌似不合理的位置。
EPR实验中有
A、B两个粒子,它们处于相互依赖的状态,也就是“纠缠态”。
即如果A的自旋朝上,则B的自旋一定朝下,反过来如果A的自旋朝下,则B的自旋一定朝上。
这两种定向都是可能的。
但研究人员只对其中一颗粒子进行测量,就确定两个粒子究竟处于何种自旋状态。
根据哥本哈根诠释,测量不仅让人们获知粒子的状态,还会使得粒子“固定”在所测得的状态。
这也意味着,与这颗粒子同处于纠缠态的另一颗粒子的状态也在瞬间固定。
但爱因斯坦不能接受这种跨越遥远距离而瞬间发生的相互作用,因为这意味着相互作用的传递速度超过光速,这有悖狭义相对论。
爱因斯坦坚信,这一实验证明了哥本哈根诠释存在缺陷,他还认为在测量之前,
A、B粒子必定已经有了明确的状态。
然而,对纠缠态粒子的测量证明粒子自旋之间的关联性,无法用粒子已有属性来解释,但同时这些关联又不违背狭义相对论,因为粒子的运动速度不可能超过光速。
那这种关联是怎样产生的?这确实很难用直观的因果关系解释。
模棱两可的运动 Brukner团队、Chiribella团队等许多物理学家已经开始初步尝试探索量子力学中模棱两可的因果关系。
他们精心设计了相互关联的事件A与事件
B,但没人能判断究竟是A先发生,导致了
B,还是B先发生,导致了
A。
实验中,A与B之间能共享信息,但一旦
A、B之间存在明确的因果关系,共享过程便会结束。
也就是说,正是由于
A、B之间没有确定的因果顺序,研究人员才能用量子系统做一些不可能的事。
研究人员制备了一种特殊的量子“叠加态”。
量子叠加态很著名:粒子自旋可以处于“自旋向上”与“自旋向下”的叠加态。
EPR实验中的两种自旋就是处于叠加态。
而一个叠加态的量子物体就是同时处于两种不同的状态,人们不能预先判断测量结果是什么。
这两个可观测状 光子携带的测量结果,因此他们无法利用光子携带的信息推断光子经过逻辑门的顺序。
该团队证实,只要观察者不知道测量结果,那么测量就不会破坏因果叠加态。
Walther说:“我们等到整个实验过程进行完毕,才提取测量结果。
光子飞行途中,测量结果以及测量发生的时间都是未知的,但仍然对最终的结果产生影响。
” 还有一些研究组也在开展因果关系不确定性实验。
例如,加拿大滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的研究团队制造了一个可以操控光子状态的量子线路,以此获得了不同的因果混合状态。
实验中,光子先后通过
A、B门,但光子的状态取决于两种不同的因果逻辑的混合:要么是A门的作用决定了B门的作用,要么是
A、B两门的作用分别由其他事件决定———这就好比,高温天气会增加晒伤病例,也会增加冰激凌的销量,但晒伤与冰激凌之间并没有直接的因果关系。
滑铁卢大学的实验结论与维也纳大学的结论一致:人们无法根据最终测得的光子状态判断先前事件之间的因果关系。
宇宙“大同” 图片来源: 态可以被当作量子比特的二进制状态。
而量子比特便是构成量子计算机的基本单元。
研究者进一步拓展这个概念,制造出了因果关系的叠加态。
这时,叠加在一起的两种状态代表的是事件的顺序:一种是粒子先经过A门,再经过B门,于是A门输出的粒子状态便会影响B门的输入状态;另一种则相反。
2009年,Chiribella与合作者提出了一个理论构想,用一个量子比特做开关,控制一个粒子所经历的事件之间的因果顺序。
当控制开关比特处于0状态时,粒子就先经过A门再经过B门。
当处于1状态时,粒子就先经过B门再经过A门。
但如果该比特处在0和1的叠加态,那么另一个量子比特将会经历两种次序的因果叠加———也就是说,粒子穿越两道门时并没有明确的顺序。
3年后,Chiribella提出了实现这一想法的具体方案,于是Walther、Brukner和同事在实验室中付诸实践。
该团队用了一系列波片和半反射镜,这些装置构成了可以操控光子偏振方向的逻辑门A和
B。
控制开关比特可以决定光子经过的顺序是AB还是BA,或者是AB与BA的叠加。
一旦研究人员去测量光子先经过了哪个门,穿越门的顺序的叠加态也就被破坏了。
2016年,Walther团队又设计了一种实验方法,允许研究者在光子经过两个逻辑门的过程中对其进行测量,而又不会立即改变观察者对它的认识。
他们让光子自身携带测量结果,但不对其即时读取。
由于光子在经过整个光路后才会被探测器探测到,观察者直到此时才能获知 但研究因果论更重大的目标是理论发展。
量子因果性或许能够成为探究物理学中最艰深问题的切入点,比如:量子力学究竟从何而来? 量子理论看起来总有点儿站不住脚。
虽然薛定谔方程对很多量子实验的结果都能给出非常准确的预言,但对于这个方程的物理意义,物理学家仍然莫衷一是,因为其背后的物理学原理并不为人所知。
过去20年间,包括Brukner在内的一些物理学家和数学家试图通过“量子重构”找到理解量子物理的关键线索:从一些简单的公理出发,推导出量子力学系统的固有特性,如叠加、纠缠等。
“因果模型的框架提供了看待这些问题的新视角。
”奥地利因斯布鲁克大学物理学家KatjaRied说。
他曾经与滑铁卢大学的研究组合作,开发了一套能够制备因果不确定状态的实验系统。
“如果量子理论是一个关于大自然如何处理、分配信息的理论,那么深究不同事件间的相互影响,或许可以揭示信息处理过程遵循的规律。
” 如果能够结合量子理论与广义相对论,量子因果性或许能够发挥更大的作用。
“在广义相对论中,因果结构起到了非常关键的作用。
那么,因果性如何能够表现出其量子的一面呢?”Ried说。
“我们在试图理解量子力学的时候,常想保留部分经典物理的思想,比如粒子轨道。
”Brukner说,然而历史告诉人们,这时候大家需要超越旧思维的全新观念,比如,用全新的方式理解因果律。
“当你有了一个颠覆性的理论时,就必须要用更具颠覆性的思维理解它。
” (唐一尘编译) 图片来源:eL佗scar 近日,荷兰首都阿姆斯特丹市政府发布新闻 公告,表示将清理市内占用公共空间的共享单 车。
公告称,共享单车运营商投放的车辆占用了 有限的城市公共空间,并妨碍了市内交通,因此 有关部门将于9月开始清理这些共享单车,并研 究相关管理政策。
“我们不希望仅有的公共空间被共享单车占 据。
”该市交通官员PieterLitjens在声明中称,“我 们正努力为骑自行车的人们开辟更多空间,但不 希望这被一些商业共享单车公司占据。
共享单车 的目标之一是减少该市的自行车数量,但现在自 行车反而增加了。
” 当地广播
AT5报道称,此次清理面向整个城 市,但将从市中心和奥斯特区开始。
该市政府发言人表示,“阿姆斯特丹并不反 对共享单车。
如果该理念被广泛推行,将有助于 减少自行车数量,改善该市交通状况。
但目前的 现实情况正好相反,这让我们不得不采取限制 措施。
共享单车必须接受管理。
我们会制定管理 政策。
” 据悉,阿姆斯特丹
80万居民几乎人手一辆 自行车,而市内自行车停车位却只有25万个,远 远不能满足需求。
该市政府对自行车停放有严格 规定,在市区连续停放6周以上或在市中心火车 站连续停放两周以上,就会视为被弃自行车,将 被市政府清走。
车主需去城外无主自行车存放站 认领,缴费后才能取回。
现已进入阿姆斯特丹的共享单车运营商包 括荷兰的
FlickBike、Urrbee、Hello-Bike,丹麦的 DonkeyRepublic等。
它们的收费标准从每30分 钟1欧元到每天12欧元不等。
然而,多家企业未 与市政部门协商,就在市区多处投放共享单车, 随意占用公共停车位,干扰了城市治理。
在接受AT5采访时,FlickBike创始人 VikentiKumanikin则对该措施并不惊讶,甚至还 表示欢迎。
“我们对市政府的决定表示认可。
由于 很多公司缺乏自律,因此市政府应当对共享单车 进行规范管理。
”他说。
(张章) 伊朗科学家将因间谍罪受审 看一看火山岛的“内心” 科学家将详细研究叙尔特塞岛 AhmadrezaDjalali图片来源:VidaMehrannia 地质学家和生物学家将刺穿世界上最年轻的一个火山:小叙尔特塞岛,该岛于1963年和1967年间形成于冰岛西南部的一系列火山喷发。
今年8月,该团队计划在叙尔特塞岛的“心脏”钻两个孔,以探索暖火山岩、冷海水和地下微生物如何互动。
它将是对新生海洋岛屿内部进行的最详细研究。
“叙尔特塞岛是我们获得这一类火山活动最详细图像的最佳途径。
”冰岛大学火山学家Magn俨sGuomundsson说。
相关结果将有助于解释热液矿物如何加固该岛屿的岩石,使其经受住北大西洋海水的撞击。
工程师或能利用那些奥秘生产更坚固的混凝土。
科学家计划在叙尔特塞岛深部了解更多关于隐藏的微生物如何“咀嚼”岩石,并从矿物或热液中提取能量。
“如果能够解决这个问题,那么我们将会更加接近地壳深处生物圈在维持和塑造当前的环境中发挥着什么角色的答案。
”挪威卑尔根大学地球微生物学专家Steffenensen说。
其中一个钻孔将与1979年钻探的181米深的孔平齐,以便科学家对比微生物数量如何随着时间发生变化。
第二个孔将以适宜的倾角,探索渗透到形成叙尔特塞岛的火山口裂缝网中的热液。
如果一切进展顺利,那么这两个孔将会穿透并到达20世纪60年代火山喷发前约190米深的海底。
叙尔特塞岛面积仅1.3平方公里,是科学家研究新生岛屿生物地质演化的天然实验室,这类新生岛屿生长着植物,并栖息着海鸟。
它是联合国教科文组织(UNESCO)世界遗产保护区之
一,被严格用于科学研究。
“它是地球上最质朴的环境之
一。
”盐湖城犹他大学地质学家、这项斥资140万美元的研究项目的首席科学家 人们在1963年观察叙尔特塞岛,当时它刚出现在海洋中。
图片来源:SigurdurThorarinsson MarieJackson说。
该项目部分由国际大陆科学钻探计划支持。
7月28日,冰岛海岸巡逻队队员开始将60吨的钻探设备和其他设施通过约100次直升机飞行搬到叙尔特塞岛。
“这是我参加过的最复杂的物流操作。
”Guomundsson说。
环境法规严格规定要将所有的废弃物从岛上清走,包括用作钻探液体的消毒海水。
任何时候,叙尔特塞岛上的人都不能超过12人,即便是每天钻探持续24小时。
其他人将留在相邻的 Heimy岛上,那里的一个货仓将暂时被改作岩芯分析实验室。
微生物学家一直在监测1979年的钻孔,那里的最高温度已经从140℃缓慢降低到130℃。
雷克雅维克马特斯食品与生物技术研究所微生物学家Vigg佼Marteinsson说,现在那里可能充斥着叙尔特塞岛的原始微生物种。
这些微生物据认为已经从下方的海水“殖民”到岩石上,并由灼热的岩石阻挡了来自上方的污染。
Marteinsson希望可以在新钻孔中找到类似种类的微生物, 包括细菌、古菌和病毒。
在钻出新孔之后,工程师将把5个孵化室 放到不同深度。
这些孵化室将在原地待一年,然 后被重新取回,研究人员将了解什么生物体在 它们上面“殖民”。
Marteinsson说,监测什么微生 物钻了进来并以多快的速度钻进来,将给科学 家提供研究深部生物圈时空演化的机遇。
同时,该团队地质学家和火山学家将调查 第二个斜孔。
“它将让我们重建亚表面相互联系 的方式,即我们所说的火山结构。
”澳大利亚塔 斯马尼亚大学地质学家
JocelynMcPhie说。
此次钻探将揭示叙尔塞特岛火山喷发最早 期(在其于1963年11月打破海洋表面之前)的 情况。
在海水与热能的混合物中,热液矿物在火 山岩内部形成。
这使得岩石气孔较少,使其可以 禁受得住海浪的侵蚀。
Jackson表示,钻探将揭示这些矿物质如何 随着时间发展形成,现代科学家或能从这一过 程中找到线索,以生产更加坚固的混凝土结构, 如核乏料容器。
Guomundsson说,由于被加固,叙尔特塞岛 的核心将能在数千年内保持岛屿的状态。
这与 很多火山岛屿形成鲜明对比,如2014年出现在 南太平洋岛国汤加附近的一个岛屿已经被侵蚀 了40%。
“由于这类岛屿绝大多数已经消失,我 们极有可能严重低估了海洋内海平面以下发生 的火山喷发的数量和规模,因此也低估了相关 的火山风险。
”新西兰陶波GNS科学研究所火 山学家NicoFournier说。
加州门洛帕克美国地质调查局名誉地质学 家、此前钻探项目的领导人JamesMoore说,无 论叙尔特塞岛钻探的结果是什么,它将能够显 著推进1979年钻探项目收集的结果。
“我们作 了很多推测,现在它们即将得到验证。
”他说, “这感觉棒极了。
” (晋楠编译) 去年4月入狱的伊朗灾害医学专家Ah- madrezaDjalali原计划于8月2日接受法院审判,罪 名为“与敌对政府合作”。
据其妻子VidaMehrannia 透露,Djalali已经被伊朗法院警告他可能面临死刑。
不过,Mehrannia表示,2日由于法官身体不适未能 开庭,新的庭审日期尚未确定。
现年45岁的Djalali曾供职于瑞典卡罗林斯卡 医学院、意大利的东皮埃蒙特大学和比利时布鲁塞 尔自由大学,研究如何改善医院的应急响应机制, 以应对恐怖主义以及放射、化学和生物学威胁。
2016年4月25日,Djalali在赴伊朗学习参观 时被逮捕,并被控间谍罪。
但Mehrannia表示,他 否认了指控,但在德黑兰爱文监狱被单独关押了 3个月。
其间,他遭受了多次问询,在相关人员威 胁将对其妻子和两个孩子采取行动后,Djalali被 迫表示忏悔。
在1月31日举行的一次预审会议上,伊朗革 命法庭法官AbolqasemSalavati告诉Djalali,他可能 面临死刑。
之后,该法官否决了Djalali的第一个律 师人选,强迫他选择另一个律师。
今年年初,Djalali进行了绝食抗争,这严重影 响了其健康。
Mehrannia表示,7月初,当45个外交 使团代表前往该监狱参观时,Djalali又被单独监禁 了数小时。
不过,数个科学组织表示支持Djalali,希望能 将其营救出狱。
他的同事表示,“他对科学富有热 情,但对政治不感兴趣,我们不相信他会做损害伊 朗政府的事情。
” 7月21日,受难学者机构呼吁其支持者向伊 朗政府请愿,要求释放Djalali,并将其遭受的持续 监禁描述为“对和平行使学术自由权利的报复”。
“一位在进行人道主义工作的科学家,不经过公 开审判就被判死刑,是对人权简单粗暴的侵害。
” 比利时布鲁塞尔自由大学校长
CarolinePauwels 说。
(唐一尘)

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