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新研究发现量子物理与曲面空间的二元性
www.creaders.net | 2022-08-01 15:46:23  大纪元 | 0条评论 | 查看/发表评论
 

  传统理论认为只有把平面弯折才能形成有弧度的空间。一组科学家发现量子系统的非厄米特性与空间的弯曲特性是统一的,它们是同一个概念的两种表现。因此研究者无需任何物理弯折即可造出各种曲线平面。

新研究发现量子物理与曲面空间的二元性

  微观量子运动的艺术假想图

  这份研究的主要作者之一美国普渡大学(Purdue University)物理学和天文学教授周齐(Qi Zhou,音译)说:“我们的研究不仅让人们对曲面和距离有了全新的理解,还解答了物理学上长期的一个谜题——把非厄米(Non-Hermitian)量子物理认知与曲面空间联系了起来。”

  “这两个议题一直以来都被认为是不相干的。而非厄米量子系统古怪的特性又是困扰了物理学家几十年的难题,可是如果从曲面空间的角度去理解它,那么所有的问题都迎刃而解。换句话说,原来非厄米量子系统和曲面空间(所描述的)是同一个事物的两面性,就像硬币的两个面。”

  什么是厄米和非厄米系统?周齐使用量子粒子在晶格结构内不同地点跳跃的情形举例解释。如果它向左和向右跳跃的概率是相同的,这就是厄米哈密顿(Hamiltonian)系统;如果向两个方向跳跃的概率不同,就是非厄米哈密顿系统。哈密顿是量子力学中用到的一个运算量,对应于系统的总能量。

  合作研究员吕臣维(Chenwei Lv,音译)说:“量子力学传统教科书侧重于厄米哈密顿系统。晶格中量子粒子向左和向右隧穿的概率是一样的。就研究互相独立的系统来说,厄米哈密顿系统是很成熟的框架,但是它们与周围环境的耦合导致能量的散失,可能会产生不再符合厄米特性的哈密顿运算量。例如,晶格中隧穿振幅在不同的方向上不再相等,这被称为非对等隧穿(nonreciprocal tunneling)。在这样的非厄米系统中,教科书中熟悉的结果不再适用,有的时候会看到与厄米系统完全相反的结果。非厄米系统中这些奇异的行为困扰了物理学家几十年,很多问题都没有答案。”

  吕臣维进一步解释说,他们的研究成果对非厄米量子现象从本质上做出了解释,这是前所未有的突破:他们发现非厄米哈密顿系统中,量子粒子所在之处的空间是弯曲的。也就是说,当晶格中量子粒子出现非对等隧穿的时候,实际上它们是沿着曲面运动的。

  他们还发现,向两个方向隧穿振幅的比例所体现的就是该平面的弧度。在这样的曲面空间内,所有以前认为很怪异的非厄米现象,这样看起来都是很自然的现象。

  研究称,这项发现具有两方面的重要意义。一方面,科学家将来可以使用非厄米系统作为工具,模拟曲面空间内量子系统的特性。合作研究员张仁(Ren Zhang,音译)说:“实验室内用到的量子系统多数都是平面的,要想探索曲面空间内量子系统通常都很困难。我们的研究成果显示,非厄米特性为实验人员提供了探索曲面空间量子系统的新方法。”

  另一方面,这意味着研究人员也可以用曲面空间来探索非厄米系统。例如,实验人员可以利用曲面空间探索非厄米系统的更多特性,在没有能量散失的情况下改善量子感应器的精确度。

  这份研究4月21日发表于《自然-通讯》(Nature Communications)期刊。

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