一個量子粒子“眼中”的世界

我們對物理系統的描述總是相對於某個參考系進行的。例如在火車站臺上有一個跳動的球,我們既可以從站臺本身的參考系對它進行觀察,也可以從一列經過的火車的參考系對它進行觀察。

廣義協變性原理是物理學中的一個基本原理,它說的是:描述球的運動的物理學定律不依賴於觀察者所在的參考系。無論觀察者是在運動的火車裡還是站臺上,都使用相同的物理學定律來描述站臺上的球,也就是說,物理學定律與參考系的選擇無關

自伽利略以來,這個原理一直是描述運動的關鍵。同時,它也是愛因斯坦相對論的發展的核心。它包含的信息是,從不同參考系觀察到的物理學定律具有對稱性

另一方面,參考系也是物理系統,它們最終也都需要遵循量子力學規律。因此有物理學家好奇:我們能否從一個“依附”在量子粒子上的觀察者的視角來制定物理學定律,從而引入一個量子參考系呢?

對此問題感興趣的有維也納大學的物理學教授Časlav Brukner和他的研究團隊。在一篇近期發表於《自然-通訊》的論文中,他們證明了,任何量子系統都可被視為一個量子參考系

一個量子粒子“眼中”的世界

▲ 量子特徵,如量子疊加,只有在相對於觀察者時才有定義。當我們從站在站臺上的觀察者的視角看火車時,火車看起來是不同位置的量子疊加。圖中用多個模糊的幻影表示疊加態。| 圖片來源:Christian Murzek/IQOQI-Vienna


以火車和站臺這兩個參考系為例,它們都是遵循量子力學規律的物理系統,可以同時處於不同位置的疊加量子態。當火車上的觀察者看到站臺同時處於不同位置的疊加狀態時,站臺上的觀察者看到火車也處於疊加狀態。因此,像球這樣的物體是表現出量子性質還是經典性質,取決於觀察者所在的參考系。而協變性原理可以推廣到這類量子參考系。這意味著,物理學定律的形式可獨立於量子參考系的選擇。


一個量子粒子“眼中”的世界

▲ 然而,坐在火車上的觀察者則看到,站臺上的觀察者和球處於量子疊加狀態。| 圖片來源:Christian Murzek/IQOQI-Vienna


論文的第一作者Flaminia Giacomini表示:“我們的研究結果表明,世界的對稱性必須在更基本的層面上得到擴展。”量子力學和引力的相互作用仍然是一個有待探索的領域。科學家認為,在這個領域中,經典的參考系概念將是不夠的,參考系必須從根本上是量子的。

而這個新的洞見有望在這一領域發揮作用。

參考來源:

[1] https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/how-does-a-quantum-particle-see-the-world/

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-018-08155-0.pdf

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