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光子奇异性质首次发现:颠覆量子力学基础

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。

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。

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