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一个量子粒子眼中的世界

  我们对物理系统的描述总是相对于某个参考系进行的。例如在火车站台上有一个跳动的球,我们既可以从站台本身的参考系对它进行观察,也可以从一列经过的火车的参考系对它进行观察。
  广义协变性原理是物理学中的一个基本原理,它说的是:描述球的运动的物理学定律不依赖于观察者所在的参考系。无论观察者是在运动的火车里还是站台上,都使用相同的物理学定律来描述站台上的球,也就是说,物理学定律与参考系的选择无关。
  自伽利略以来,这个原理一直是描述运动的关键。同时,它也是爱因斯坦相对论的发展的核心。它包含的信息是,从不同参考系观察到的物理学定律具有对称性。
  另一方面,参考系也是物理系统,它们最终也都需要遵循量子力学规律。因此有物理学家好奇:我们能否从一个依附在量子粒子上的观察者的视角来制定物理学定律,从而引入一个量子参考系呢?
  对此问题感兴趣的有维也纳大学的物理学教授aslavBrukner和他的研究团队。在一篇近期发表于《自然通讯》的论文中,他们证明了,任何量子系统都可被视为一个量子参考系。
  量子特征,如量子叠加,只有在相对于观察者时才有定义。当我们从站在站台上的观察者的视角看火车时,火车看起来是不同位置的量子叠加。图中用多个模糊的幻影表示叠加态。图片来源:ChristianMurzekIQOQIVienna
  以火车和站台这两个参考系为例,它们都是遵循量子力学规律的物理系统,可以同时处于不同位置的叠加量子态。当火车上的观察者看到站台同时处于不同位置的叠加状态时,站台上的观察者看到火车也处于叠加状态。因此,像球这样的物体是表现出量子性质还是经典性质,取决于观察者所在的参考系。而协变性原理可以推广到这类量子参考系。这意味着,物理学定律的形式可独立于量子参考系的选择。
  然而,坐在火车上的观察者则看到,站台上的观察者和球处于量子叠加状态。图片来源:ChristianMurzekIQOQIVienna
  论文的第一作者FlaminiaGiacomini表示:我们的研究结果表明,世界的对称性必须在更基本的层面上得到扩展。量子力学和引力的相互作用仍然是一个有待探索的领域。科学家认为,在这个领域中,经典的参考系概念将是不够的,参考系必须从根本上是量子的。
  而这个新的洞见有望在这一领域发挥作用。
  参考来源:
  〔1〕https:medienportal。univie。ac。atpresseaktuellepressemeldungendetailansichtartikelhowdoesaquantumparticleseetheworld
  〔2〕https:www。nature。comarticless41467018081550。pdf

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