如果有人跟你说，有一只猫可以同时处于生和死的状态，你很可能会认为Ta在胡说八道，并嗤之以鼻。但事实上，这只猫便是物理学界无人不知、无人不晓的“薛定谔猫”，这是一个著名的思想实验：
试想一下，有一只猫被困在了一个封闭的箱子之中。除了猫之外，箱子里还有一个充满有毒气体氰化氢的玻璃烧瓶和一些放射性物质。倘若盒子里的放射性原子发生了衰变，装有氰化氢的烧瓶就会被打碎，挥发的氰化氢会导致猫随即死亡；如果放射性物质没有衰变，则不会触发打碎烧瓶的装置，猫就能继续存活。根据量子力学，放射性原子可以同时处于衰变和不衰变的状态，这意味着在箱子被打开之前，猫会同时处于生和死的状态。
这种同时处于的生和死的状态，在量子物理学中被称为叠加态。
□ 新的不确定性原理认为，量子物体可以同时处于两种温度，这与薛定谔猫思想实验类似。在这个实验中，一只猫被放进一个装有放射性元素的箱子里，它处于生和死的叠加态。| 图片来源：NPI
不久前，物理学家在《自然通讯》发表了一篇新的论文，他们发现温度很可能也存在类似的不确定状态：在量子层面上，物体可以同时处于两种温度。这个听起来非常诡异的发现，是近几十年来提出的第一个全新的量子不确定性关系。
海森堡的另一个原理
1927年，德国物理学家维尔纳·海森堡提出，当我们对量子粒子的位置测量得越精确时，对动量就知道的越不精确，反之亦然。这后来成为了著名的海森堡不确定性原理。
新的量子不确定性表明，当你对温度知道得越精确时，对能量的了解就越少，反之亦然。这个新发现对纳米科学有着重大影响。该原理将改变科学家测量极其微小的物体（比如量子点、小型半导体或单细胞）温度的方式。
1930年代，海森堡和尼尔斯·玻尔认为，在热力学中，温度和能量之间应该存在一种类似于量子理论中的位置和动量的互补的形式。他们的想法是，如果你想知道一个物体的确切温度，最好以及最精确地科学方法是将物体沉浸在温度已知的”储层“内（比如一桶水或充满冷空气的冰箱），并让物体慢慢变成那个温度。这就是热平衡。
然而，热平衡是由物体和储层不断交换能量来维持的。因此，物体中的能量以无穷小的量上下波动，使其无法精确定义。另一方面，如果你想知道物体的精确能量，就必须把它分离出来，这样它就不能和任何东西接触，也就无法交换能量。但是如果你把它分离出来，你就不能用储层来测量它的温度。这个限制使温度变得不确定。
而当我们进入量子尺度时，事情变得更加奇怪。
新的不确定性关系
即使一个标准的温度计的能量会有轻微的上升和下降，这种能量仍然可以在很小的范围内被知道。但新研究却表明，在量子层面完全不是这么一回事，而罪魁祸首便是叠加态。
研究人员使用数学和理论来预测这种叠加究竟是如何影响对量子物体温度的测量的。
Harry Miller是提出这一新原理的物理学家之一，他表示：”在量子情况下，一个量子温度计……将能同时处于能量态的叠加。我们发现，由于温度计不再具有明确定义的能量，而且它实际上同时处于不同态的结合，这导致了我们能够测量的温度的不确定性。“
在我们生活的世界中，一个温度计可以告诉我们一个物体的温度介于在零下0.5°C和0°C之间。在量子世界里，温度计可能会告诉我们物体同时处于这两种温度，就像薛定谔猫可以同时处于生和死的叠加。（为了精确地测量微观物体（比如纳米设备或单细胞）的温度，实验人员需要使用由几个原子组成的微型纳米级温度计。）
在量子尺度上，物体之间的相互作用可以产生叠加，也可以产生能量。旧的不确定性关系忽略了这些影响，因为它与非量子物体无关。但当你试图测量一个量子点的温度时，这些影响就很重要了，而这个新的不确定性构成了一个可用以考虑这些相互作用的理论框架。
这一发现建立了由叠加态产生的量子不确定性和温度测量精度之间的新联系。未来，这个不确定性关系将有助于任何想要测量纳米尺度以下物体的温度变化的实验设计。
论文的共同作者Janet Anders表示：“这一发现是将热力学概念和定律扩展到纳米尺度的重要一步。在纳米尺度上，我们的宏观假设被打破了。”
参考来源：
https://www.livescience.com/63595-schrodinger-uncertainty-relation-temperature.html
https://www.nature.com/articles/s41467-018-04536-7
https://link.springer.com/article/10.1023/A:1018811305766
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180814101441.htm
发表于 2018-9-19 01:01
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