科學家首次利用薛丁格貓實驗同時看到分子的兩個狀態!

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薛丁格的貓(Schrödinger’s Cat)或許是最有名的量子力學想法,但在它背後的科學,也能夠被用在實際的實驗中,像是拍攝詳細的分子行為。這對於了解許多小的分子系統很重要,像是光合作用。

來自SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科學家同時把碘分子放進兩個狀態,活躍的和不活躍的,命名為"貓態(cat state)",然後使用直線加速器連貫光源(Linac Coherent Light Source LCLS)的X射線來研究分子的行為。藉由收集數十億個分子的數據,研究人員能夠製作出一部量子世界生態的影片。

LCLS是全世界最強大的X射線雷射,允許研究人員做出很多的訊息觀察。科學家能夠看到小到0.03奈米的細節(大約是氦原子的大小),而且能夠以十億分之三千萬秒快速地改變。

SLAC教授暨資深作者Phil Bucksbaum在一份聲明中說:「我們的方法對量子力學是很重要的。因此,我們急於要在其他小的分子系統做測試,包括視覺系統、光合作用、保護DNA免於紫外線傷害、以及生物的重要功能。」

資料庫預印本網站(arXiv)可以取得,並且已經被接受在物理評論通訊(Physical Review Letters)發表的這項研究,研究小組詳細察看由兩個碘原子組成的振動分子。這些分子被放在貓態(cat state),就好像是著名的思想實驗,它們在那裏同時出現兩種不同的狀態:活躍與不活躍。

研究人員對它們射出X射線,然後強大的光子在同一時間撞擊這兩種狀態,產生分子活躍形態詳細圖像的全息圖(hologram)。這個方法讓科學家能夠"看見"在原子層次所發生的事。

Bucksbaum解釋:「我們看見它開始振動,以兩個原子彼此來回地接近又分離,好像被一根彈簧綁著。同一時間,我們看見原子鍵斷掉,然後這些原子分離,進入飄渺虛無的空間。我們同時看見它們依然連接著,在回到連結之前,它們彼此維持一定的距離四處遊蕩一陣子。隨著時間過去,我們看見振動逐漸消失,直到分子再度處於休息狀態。所有這些可能的結果,發生在幾兆分之一秒。」

薛丁格的貓是一個著名的悖論,由澳洲物理學家Erwin Schrödinger所想出,來挑戰量子力學可以被連結到巨觀世界。隨著時間過去,對於粒子重疊(particles in superposition),這個實驗已經變成的一個眾所皆知的例子。當它們同時存在兩種狀態時,就如同這隻有名的貓被認為同時是活著也是死的。

態的分子而藍色的點則是處於活躍狀態的分子活躍狀態的分子很劇烈地振動分離的更遠甚至彼此斷開 J.M. Glownia et al./ SLAC

來源:IFLScience