2025年高考微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現實

　　微觀世界扔“硬幣”“量子漫步”從理論到現實

　　根據“隨機漫步”理論，每完成一階段的拋硬幣后確定的位置，很少出現偏離原始出發點太左或太右的情況。

　　你扔出一枚硬幣，硬幣要么正面朝上，要么背面朝上。但是在微觀情況下，事情并非完全那么確定。如果你扔出的是一枚“原子”硬幣，那么你得到的可能是一種正面和反面的疊加態。但是，這樣的情況只是發生在你不在觀察硬幣的時候。如果你去觀察，呈現在你眼前的可以是正面也可以是反面，隨你喜歡而定。如果你像拋硬幣一樣扔出一個量子粒子，你就會看到不同尋常的效應。德國波恩大學的物理學家首次在銫原子實驗中展示了這種效應。他們的研究結果刊登在7月10日出版的《科學》雜志上。

　　我們來假設下面的實驗：將一枚硬幣放在一名測試者手中，我們權且將這名測試者叫做小王，小王現在的任務就是把硬幣多拋幾次。當硬幣正面朝上時，小王就向右跨一步；相反，當硬幣背面朝上時，小王就向左跨一步。小王拋完10次硬幣后，我們來觀察小王的位置在哪里。這時，我們會看到小王距離第一次拋出硬幣的地方并不會太遠，因為通常情況下硬幣出現正面和反面的機會大致相等。如果小王想要拋完10次硬幣后，往右走出10步，這樣的情況一般都不會發生。

　　我們再來假設小王是一個非常耐心的人。他非常耐心地成功拋完了1000次硬幣。每走一步，他都會記下自己的位置。當實驗結束時，我們將結果做成一個圖表，得到的將會是一個典型的鐘形曲線（亦稱正態分布曲線）。每扔完10次，小王都會發現自己接近于原始出發點，很少發現自己偏離原始出發點太左或太右。

　　這個實驗被稱為“隨機漫步”，這種現象可在許多現代科學領域（如布朗運動）中發現。在量子物理世界中，類似現象則有一個新的有趣特性，叫做“量子漫步”。直到目前為止，量子漫步或多或少還只是一個理論架構，現在，波恩大學的物理學家終于首次實際執行了這樣的量子漫步。

　　實驗通過使用激光束組成的光鑷操縱一個銫原子來實現，激光束同時扮演漫步者和硬幣的角色。銫原子能呈現出不同的量子力學態，這有點像硬幣的正面或是反面朝上。但在微觀層面，情況要稍許復雜一些，因為量子粒子能夠以不同狀態的疊加態存在。這種情形基本上就是一種“有一點正面朝上，又有一點反面朝上”的狀態。物理學家將其稱為“態疊加”。

　　通過使用激光束組成的傳送帶，波恩大學的物理學家將銫原子拉向兩個相反方向，“正面”部分向右，“反面”部分向左，如此將兩個狀態分開了近數千分之一微米。之后，科學家們再次“拋出硬幣”，將兩種狀態的每一個都變成了正面和反面的疊加態。

　　銫原子經過數次這樣的“量子漫步”后就基本上延伸到了任何地方。只有當你去觀測時才會得到確定的位置。其位置的出現概率主要由量子力學的第二效應決定。這是基于原子的兩個部分能自我加強或是自我毀滅，光物理學家稱這種現象為干擾。

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