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大尺寸物体的波动行为

2023.4.22

自从物理学者演示出光子与电子具有波动性质之后,对于中子、质子也完成了很多类似实验。在这些实验里,比较著名的是于1929年奥托·施特恩团队完成的氢、氦粒子束衍射实验,这实验精彩地演示出原子和分子的波动性质。近期,关于原子、分子的类似实验显示出,更大尺寸、更复杂的粒子也具有波动性质,这在本段落会有详细说明。

  1970年代,物理学者使用中子干涉仪(neutron interferometer)完成了一系列实验,这些实验强调引力与波粒二象性彼此之间的关系。中子是组成原子核的粒子之一,它贡献出原子核的部分质量,由此,也贡献出普通物质的部分质量。在中子干涉仪里,中子就好似量子波一样,直接感受到引力的作用。因为万物都会感受到引力的作用,包括光子在内(请参阅条目广义相对论的实验验证),这是已知的事实,这实验所获得的结果并不令人惊讶。但是,带质量费米子的量子波,处于引力场内,自我干涉的现象,尚未被实验证实。

  1999年,维也纳大学研究团队观察到C60 富勒烯的衍射富勒烯是相当大型与沉重的物体,原子量为720 u,德布罗意波长为2.5 pm,而分子的直径为1 nm,大约400倍大。2012年,这远场衍射实验被延伸实现于酞菁分子和比它更重的衍生物,这两种分子分别是由58和114个原子组成。在这些实验里,干涉图样的形成被实时计录,敏感度达到单独分子程度。

  2003年,同样维也纳研究团队演示出四苯基卟啉(tetraphenylporphyrin)的波动性。这是一种延伸达2 nm、质量为614 u的生物染料。在这实验里,他们使用的是一种近场塔尔博特-劳厄干涉仪(Talbot Lau interferometer)。使用这种干涉仪,他们又观察到C60F48.的干涉条纹,C60F48.是一种氟化巴基球,质量为1600 u,是由108 个原子组成。像C70富勒烯一类的大型分子具有恰当的复杂性来显示量子干涉与量子退相干,因此,物理学者能够做实验检试物体在量子-经典界限附近的物理行为。2011年,对于质量为6910 u的分子做实验成功展示出干涉现象。2013年,实验证实,质量超过10,000 u的分子也能发生干涉现象。

  在物理学里,长度与质量之间存在有两种基本关系。一种是广义相对论关系,粒子的史瓦西半径与质量成正比;另一种是量子力学关系,粒子的康普顿波长与质量成反比。

  大致而言,康普顿波长是量子效应开始变得重要时的系统长度尺寸,粒子质量越大,则康普顿波长越短。史瓦西半径是粒子变为黑洞时的其所有质量被拘束在内的圆球半径,粒子越重,史瓦西半径越大。当粒子的康普顿波长大约等于史瓦西半径时,粒子的质量大约为普朗克质量,粒子的运动行为会强烈地受到量子引力影响。

  普朗克质量为 kg,超大于所有已知基本粒子的质量;普朗克长度为 m,超小于核子尺寸。从理论而言,质量大于普朗克质量的物体是否拥有德布罗意波长这个问题不很清楚;从实验而言,是无法达到的。这物体的康普顿波长会小于普朗克长度和史瓦兹半径,在这尺寸,当今物理理论可能会失效,可能需要更广义理论替代。

  2009年,伊夫·库德(Yves Couder)发布论文表示,宏观油滴弹跳于振动表面可以用来模拟波粒二象性,毫米尺寸的油滴会生成周期性波动,对于这些油滴的相互作用会引起类量子现象,例如,双缝干涉、,不可预料的隧穿、轨道量子化、塞曼效应等等。


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