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爱尔兰科学家发现光子奇异性质:或颠覆量子力学基础

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据国外媒体报道,光的一种奇异现象可能正在颠覆量子力学的基础。光子是构成光的粒子,它们构成了一个基于光的莫比乌斯环,其中表现出的动量特征是此前科学家认为不可能出现的。这项发现可能会动摇量子力学的一些基本假设,后者是描述亚原子粒子世界的经典理论。

爱尔兰科学家近期对光的一种奇异性质的研究可能正在颠覆量子力学的基础。但到目前为止,关于其深层意义方面仍然不甚明了

这项研究的合作者之一,爱尔兰都柏林圣三一学院的物理学家保罗·埃萨姆(Paul Eastham)指出:“这是光的一种基本性质,我们证明了其和人们此前设想的不太一样。”

“空心”的光

这项研究的最早渊源还要追溯到200多年前,当时的爱尔兰物理学家和天文学家威廉·汉密尔顿(William Hamilton)和他的合作者汉弗莱·劳埃德(Humphrey Lloyd)预言,具备某种特定内部原子结构的晶体将能够产生中空的“光管路”,前提条件是入射光线照射到晶体表面的角度合适。

为了向这一200多年前的伟大发现致敬,埃萨姆与合作者决定深入探查这一现象背后的理论基础。首先他想到的是,这样一种中空形态的光线对于光子的角动量究竟意味着什么。随着在数学运算方面的深入进行,他突然意识到一些奇怪的事情:在这一中空光线中的光子将具备的角动量约为1.5倍的普朗克常数,后者是描述能量与波长之间关系的基本物理学常数。

但这样的情况是令人难以相信的,因为量子理学原理限定了光子的角动量必须是普朗克常数的整数倍,比如2倍,-3倍等等,而不能出现0.5倍这样的情况。

自旋为半的光子

为了检验他们计算结果是否的确在现实中存在,他们决定对这一理论进行实验验证。他们将一束激光以精确的特定角度射向一块晶体,随后使用一种被称作干涉仪的光学部件对这束激光进行分束,并按照其自旋特征进行分离。

非常明确的实验结果就是,在测量时,这些光子的角动量值分别显示约为1.5倍普朗克常数和-1.5倍普朗克常数。研究组已经将相关研究结果发表在4月29日出版的在线版《科学进展》杂志上。

这项研究的另外一位合作者,同样来自爱尔兰都柏林圣三一学院的物理学家凯勒·巴兰汀(Kyle Ballantine)表示,这项发现非常有趣,因为其暗示光子的行为可能与我们此前对其作出的预测不符合。他说:“所有粒子都可以被分为两大类,第一类叫玻色子,其中就包括光子,这类粒子的特点是它们都有整数角动量(自旋量子数是整数),另一类粒子叫做费米子,比如电子,这类粒子的自旋量子数就不是整数。这样的区别非常重要,因为这会导致非常不同的量子行为。而我们此次研究的结果显示,我们能够创造出一束光子流,其行为类似费米子,这两者是完全不同的。”

不过,这项研究也并不会就此削弱普朗克常数的重要性,或是颠覆整个亚原子物理学大厦的根基。埃萨姆表示:“我们并未打破量子力学。”

当然,不管如何,这项研究得到的结果仍然非常新颖,它深层的意义目前仍然不甚明确。但其中一项至少是明确的:这项发现将对量子计算和密码学研究产生影响,这两个领域的研究都是基于亚原子粒子的相关性质,而关于这一方面,我们可能需要修正一些原先的观点。

(来源:中国科技网)

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