科學實驗發現僅靠量子漲落使40公斤的鏡子發生了位移

2000年7月,科學家在實驗中發現, 僅靠量子掌握是一面40公斤的鏡子發生了位移。 位移的量非常小,僅有10的-20次方米。 雖然可以根據量子理論計算得出這個數值, 但是由於實驗精度很難達到,所以一直無法驗證。 那這次是通過什麼儀器能夠測量如此精度的位移呢? 答案是LEGO,即機關干涉引力波天文臺。 LEGO被人們熟知主要是因爲2015年首次探測到引力波。 早在1916年,愛因斯坦發表廣義相對論後就預言了引力波的存在。 廣義相對論認爲,任何有質量的物體都能使周圍的時空彎曲。 基於這個理論,愛因斯坦提出這種對於時空造成的形變如同水波, 可以在宇宙中以光速傳播,並以引力波命名。 引力波是時空的漣漪,可以使時空發生輕微的扭曲。 它的強度極弱,驗證引力波需要精度極高的實驗。 愛因斯坦甚至預言人類在100年內無法探測到引力波。 爲了驗證引力波的存在,LEGO項目於90年代開始建設。 爲了排除誤報,該項目同時建造了兩個幾乎一樣的獨立探測器, 分別位於美國西北部的華盛頓州和美國東南部的路易斯安那州。 只有當兩個探測器同時檢測到信號時,纔有可能是引力波信號。 2015年9月14日,發生了人類科學探索史上極爲重要的一件事, LEGO探測到了引力波。 100年後愛因斯坦的預言再次被證實, 這次探測到的引力波信號來自距離地球13億光年的兩個黑洞相撞之前發出的。 這兩個黑洞的質量約爲太陽的30倍, 它們相互圍繞對方旋轉超過上百萬年。 在這個過程中它們相互吸引、靠近, 最終撞到一起融合成了一個更大的黑洞。 在兩個黑洞即將相撞時, 它們以光的速度向宇宙中傳出了引力波振動。 此次探測到的引力波只持續了0.2秒, 引起的時空扭曲只能讓上海到北京的距離改變不到一個原子核的尺寸。 那麼LEGO是如何探測到如此微小的距離呢? LEGO主要是由兩條4000米的真空管道即干涉壁組成,成L型排列, 每個管道末端都懸掛着一面用於反射光束的鏡子。 激光束沿着兩條管道分別射出, 遇到鏡子後再反射回來, 當兩束光再次相遇時會發生干涉。 這個過程中如果遇到引力波的擾動, 由於時空被擠壓,干涉壁的長度就會受到影響, 激光干涉結果就會出現光強變化,從而檢測到引力波信號。 爲了探測宇宙更深處更微弱的引力波信號, 科學家一直在提升引力波干涉儀的靈敏度。 但問題在於干涉壁真空管道本身存在量子掌握, 從理論上來說量子掌握會擠壓鏡子發生位移, 從而對引力波信號帶來干擾,使其淹沒在量子噪聲中, 所以研究團隊加裝了一個量子擠壓器的裝置。 量子擠壓器的原理是通過操縱量子噪聲在相位和振幅上的特性, 減少它對干涉儀中反射鏡的撞擊,從而提高靈敏度。 這次觀測到的量子波動使一面鏡子發生位移, 就是在這一過程中發現的。 首先他們測量了量子噪聲和熱能等經典噪聲在內的總的噪聲, 然後打開量子擠壓器,數據顯示當把經典噪聲去掉後, 發現僅靠量子噪聲確實能使鏡子產生移動。 雖然鏡子移動的距離只有10⁻²⁰米, 甚至不足一個氫原子的尺寸, 但這跟量子力學預測的完全一致。 事實上,宏觀物體無時無刻不再被周圍的量子掌握推來推去, 只是它太微弱,所以我們無法察覺。 你有想過未來可以影響過去嗎? 在延遲選擇量子擦除實驗中確實發生了這種現象。 簡單的來講就是8納秒之後的行爲, 看上去好像決定了8納秒之前的行爲。 實驗過程是這樣的, 左上角的光源發射一個光子經過雙縫再到達BBO非線性晶體。 BBO晶體的作用是吸收一個入射的光子, 然後發射出兩個能量減半並處於糾纏態的光子。 這兩個光子分別射向兩個不同的方向。 上面的光子射向探測器D0,用於進行干涉實驗。 我們將這個光子稱爲信號光子。 下面的光子經過一系列的反射到達下面的探測器。 我們將下面的光子稱爲標記光子。 因爲信號光子和標記光子的來源相同, 所以我們知道標記光子的來源, 就能知道信號光子是穿過了哪條縫隙。 特別強調的是,信號光子到達D0的距離 比標記光子到達D1,D2的距離近大約2.5米。 也就是說,信號光子比標記光子早8納秒到達探測器。 實驗第一個階段,光源一個一個發射光子, 我們可以看到要麼探測器D2亮,要麼探測器D1亮。 這說明了光子要麼是穿過了A縫, 經全反徑2反射後到達D1, 要麼是穿過了B縫,經全反徑1反射後到達D2。 換言之,當我們在D1探測到一個光子的時候, 我們立刻就知道它必然來自藍色路徑。 同理,如果D2探測到光子時, 則光子必然來自紅色路徑。 通過上述實驗,我們可以得知光子的路徑信息。 這個時候,D0探測器不會形成干涉條紋, 光表現出粒子的性質。 事情發生之後還能改變嗎? 1979年,愛因斯坦的同事約翰·惠勒 提出了一個非常吃驚的構想, 也就是所謂的延遲實驗。 在惠勒的構想提出5年後, 馬里蘭大學的卡洛爾·阿雷和其同事 便證實了該思維實驗。 該實驗結果被解讀爲 我們現在的行爲可以影響過去。 實驗過程是這樣的, 激光脈衝源發射一個光子, 光子到達半反半透鏡1後, 有50%的可能會被反射到下方, 在經過下方的全反鏡反射之後, 被探測器B接收, 也有50%的可能不發生反射, 直接穿過透鏡1, 經過上方的全反鏡反射後, 被探測器A接收, 這樣我們就能知道光子是通過了哪條線路。 但是我們可以在兩條線路的交匯處 再插入一個半透鏡2, 如果光子是沿着兩條線路到達半透鏡2, 那麼光子就會在透鏡2處發生自我干涉。 根據波動理論, 通過調整透鏡2的位置, 在探測器B處, 使這兩束光總是反向位疊加, 從而探測器B永遠不會亮, 在探測器A處, 使這兩束光總是同向位疊加, 探測器A會常亮並且亮度增強。 第一次實驗, 我們取消半透鏡2, 通過多次實驗結果顯示, A和B探測器只有一個會亮, 這說明光子要麼是通過了線路1, 要麼是通過了線路2, 不會同時走兩條線路。 第二次實驗, 我們加入半透鏡2, 實驗結果顯示A一直亮, B永遠不亮。 這說明光子在半透鏡2處發生了干涉, 從而說明了光子在到達半透鏡1後 同時走了兩條線路。 這是爲什麼? 根據量子力學哥本哈根詮釋, 光子處於通過線路1和線路2的疊加態。 到目前爲止, 這一切都是常規實驗。 但是, 接下來發生的事情就很可怕了。 如果我們在光子通過半透鏡1後, 等它選擇了線路之後, 再插入半透鏡2, 會發生什麼呢? 按照第一次實驗的結果, 我們會認爲光子在通過透鏡1時 就已經選擇了要走哪條線路, 在透鏡2處就不會發生自我干涉。 可實驗結果顯示, 探測器A會一直亮, B永遠不會亮。 這說明, 光子還是同時走了兩條線路。 現在的問題是, 我們在光子通過透鏡1之後 加的透鏡2, 也就是說, 光子已經選擇了一條線路, 我們加入透鏡2後, 光子又改變了自己之前的選擇。 這就說明了, 我們現在的選擇 改變了光子過去的選擇。 也就是說, 我們可以在事情已經發生之後 再來決定它應該怎麼發生。 關於這個問題, 惠勒引用波爾的一句話來說, 任何一種基本量子現象 只在其被記錄之後 纔是一種現象。 宏觀世界人們所遵從的因果律 可能在微觀世界是不大一樣的。 至少在微觀世界量子層面上, 過去、現在和未來 可能並沒有那麼大的界限。 這是一段危險的旅程, 因爲在這個炙熱乾燥的熔爐裏, 死亡會降臨到那些體弱、 準備不足或不幸的人身上, 因此這裏被稱爲恐懼之地。 在這些地方, 你可以看到典型的沙丘景觀, 沙層的平均厚度約爲150米, 有些孤立的沙集高達300米, 但撒哈拉的大部分地區 實際上是岩石和懸崖, 這些沙子、岩石和石頭下 隱藏着令人驚歎的祕密。 很久以前,科學家們認爲 撒哈拉曾經不是現在這樣荒涼的沙漠, 而是一個美麗的綠洲天堂。 然而由於缺乏有力的證據, 這一假設一直沒有得到證實, 直到最近, 科學家們在沙漠的沙層下 發現了一些出乎意料的東西。 在撒哈拉沙漠的沙子下面, 科學家們發現了一個巨大的水庫, 這顯然不是任何古代海洋的一部分, 它實際上是一個古老的湖泊, 大約形成於25萬年前, 當時尼羅河在今天的瓦迪塔什卡灣區域 打破了一條低窪的通道, 水湧入東撒哈拉, 形成了一個在其巔峯時期 覆蓋超過10.8萬平方公里的湖泊。 這個古湖的面積是伊犁湖的四倍, 密歇根湖的兩倍, 還有一個較小的湖泊與它同時形成, 面積約爲4.8萬平方公里。 2010年, 美國國家航空航天博物館的地質學家 泰德·麥克斯韋爾和他的同事們 首次發現了這些湖泊的痕跡, 他們研究了航天飛機雷達地形任務的數據, 利用水流和風塵沉積物的圖像, 以及雷達下沙漠沙層中可見的穩定岩石, 地質學家們繪製出了古代巨湖的輪廓。 撒哈拉沙漠的極端乾燥性 有助於獲得精確的數據, 因爲低溼度和地質結構的均勻性 使雷達能夠捕捉到所有地下細節。 科學家們在距離尼羅河以西約400公里, 海拔約250米的沉積物中 發現了化石魚的殘骸, 這標誌着湖泊的最高岸線。 通過將數據整合到一個模型中, 研究人員證實尼羅河曾經淹沒了 埃及的整個卡西巴坦申卡盆地, 形成了一個巨大的湖泊, 埃及的薩利瑪和塔爾法利地區 附近的舊石器時代, 人類定居點的位置 也指向了這一湖泊的存在。 這個湖泊存在了數千年, 支持了各種植物和動物的傳播和發展, 然而由於其突然而快速地形成, 它註定在長期內無法持續。 水源的消退和蒸發速度超過了補充速度, 最終湖泊乾涸, 其底部被沙子吞噬。 但是, 生命在這個地區繼續繁衍, 許多科學研究表明, 至少五千年前, 撒哈拉還是一片鬱鬱蔥蔥, 生機勃勃的土地。 2015年, 《自然通訊》雜誌發表了一篇文章, 引起了科學界的轟動, 藉助日本衛星先進陸地觀測衛星的波段 合成孔徑雷達, 科學家們發現了一條大型河牀 及其廣泛的支流網絡。 這條古河名爲塔曼拉塞特河, 據說它在五千年前還在西非流淌。 這條河的源頭位於現代阿爾吉利亞的 阿特拉斯山脈和阿哈加爾山脈南部。 科學家們認爲, 在古代塔曼拉塞特河流域動植物繁盛, 這條河在兩千多年裏徹底乾涸。 如果這條河今天依然存在, 它將是地球上第十二長的河流。 有科學家猜測, 這條河流並不總是存在, 可能在過去的24.5萬年間時影時現。 這一時期恰好與古代湖泊的存在相吻合。 無論如何, 這條河是一個寶貴的水源, 使非洲中部成爲一個繁榮的綠洲。 即便在今天, 我們仍然可以在撒哈拉找到一些水的痕跡。 如果你深入瞭解撒哈拉的歷史, 會發現更加有趣和驚人的故事。 在中生代, 古特提斯海實際上覆蓋了現在的撒哈拉。 鯨魚的祖先就曾在這裏群居, 它們的巨大化石遺骸在埃及的瓦迪西坦的挖掘中被發現。 這些動物的骨骼在海底沉睡了數百萬年, 直到海洋逐漸消失, 變成了早期的地中海和黑海。 海底上升變成了陸地, 由於發現了大量古代海洋的化石, 撒哈拉有時被稱爲鯨魚谷。 不僅如此, 你在撒哈拉的沙子下還能找到其他海洋生物的遺骸。 在撒哈拉的不同地方還發現了巨大的泰坦龍的化石, 這種巨大的恐龍長達32米, 重達60噸。 但即便是這種發現, 也遠不及2016年在埃及發現的新古代怪獸物種。 這些化石由曼蘇拉大學的哈桑·薩勒姆博士領導的 埃及和美國古生物學家團隊挖掘出來的, 被稱爲曼蘇拉龍。 這一發現震驚了科學界, 2018年, 這些化石最終被分類爲一個新的古代物種和水。 儘管撒哈拉的野生動物過去如此驚人, 但最有趣的是, 人類如何在這些地區生活? 數千年來, 隨着氣候的多變性, 人們不斷遷徙, 定居和離開這片廣袤的土地。 考古學家在該地區發現的人類遺骸揭示了幾個不同的群落, 其中一些社群的組織水平甚至超過了原始木葉。 特別是費尤姆和納布塔地區的低地, 以及比爾卡西巴綠洲因爲氣候變得更加溼潤而在歷史上某些時期變得適宜居住。 早在三千多年前, 就有人從尼羅河流域遷移到這些地區, 並從後來開始在東撒哈拉定居。 人們製作了裝飾由複雜彩色圖案的陶器, 其風格與尼羅河谷的陶器十分相似, 顯示了文化交流和技術傳播。 考古發現顯示, 這裏的社會組織水平高於尼羅河谷的水平, 重要的是在納布塔發現了幾座古代巨石建築群。 科學家們包括天體物理學家托馬斯·布洛菲認爲這些結構具有宗教意義, 考古記錄中的神聖符號可以追溯到七千年前, 其簡單的意義涉及遊牧生活的重要主題, 如牛、水、死亡、地球、太陽和星星。 在撒哈拉沙漠的沙層下還蘊藏着更多人類的歷史遺蹟, 這些是由加拉曼提斯人建造的堡壘。 這個古老的撒哈拉民族曾被古希臘作家、歷史學家希羅多德提到過, 他們從公元前200年到公元700年間居住在撒哈拉的大部分地區, 當時這裏已經是一片沙漠, 但加拉曼提斯人掌握瞭如何開採水源、建設灌溉田地和農場, 併爲城鎮和堡壘提供飲用水的技術。 通過三維衛星成像技術, 科學家們能夠辨認出藏在沙層下的古代人工渠道的光滑邊緣, 然而隨着乾旱氣候的日益加劇, 這些水渠逐漸乾涸,沙子脫沒了這些曾經繁盛的定居點。 雖然外星生命的傳言屬於科幻領域, 但撒哈拉沙漠卻保存了許多星際事件的證據。 在沙漠的貧瘠沙地和岩石高原上, 你可以找到一種非常罕見的礦物——利比亞沙漠玻璃。 這種玻璃狀岩石含有高達98%的二氧化硅, 外觀上類似於碎裂的綠色瓶子玻璃, 主要是黃綠色,帶有多種色調。 利比亞沙漠玻璃自古以來便爲人所知, 它被用來製作象徵豐收的聖甲蟲裝飾品。 這種聖甲蟲裝飾了古埃及法老圖坦卡蒙的獎章。 這個獎章是由英國考古學家霍華德·卡特 在1916年發掘圖坦卡蒙墓時首次發現的。 利比亞玻璃的起源一直是科學界的一個謎, 儘管形成於約2900萬年前, 科學家們至今未能就其確切起源達成共識。 目前普遍的觀點傾向於隕石撞擊說, 即這種獨特的玻璃是由於隕石撞擊地球時的極高溫度產生的。 這些條件使得鈣石和碳化硅等高溫礦物得以形成 其所需溫度遠超過地球上任何火成岩的形成溫度。 該理論的支持者認爲, 利比亞玻璃可能源自彗星河的物質變化, 但由於缺乏確鑿的證據, 這一假設尚未被廣泛認可。 此外,儘管隕石撞擊理論較爲流行, 但在大部分利比亞玻璃的發現地附近並未發現明顯的隕石坑, 這增添了不少爭議。 然而2007年, 在玻璃發現地點約100公里外發現的卡里隕石坑直徑達31公里 爲隕石撞擊理論提供了可能的解釋。 撒哈拉沙漠還有許多令人驚歎的祕密。 最驚人的事實是, 它在遙遠的過去像伊甸園一樣繁茂。 加州大學歐文分校地球系統科學教授凱瑟琳·約翰遜指出, 這片地區的溼潤和乾旱週期受到地球自轉軌道的週期性變化影響, 這一模式大約每兩萬三千年就會重複一次。 基於這種週期性變化, 撒哈拉有望在未來一萬年內再次迎來其綠色時期。 屆時它可能再次成爲一個生機勃勃的伊甸園。 在海洋中有一個地方特別聲名狼藉。 15世紀哥倫布的探險隊在這裏遇到了讓整個團隊驚恐萬分的事情。 偉大探險家的航海日誌中記載了指南針的指針失常, 憑空出現的大火噴發, 以及海洋發出的奇異光芒。 許多年後, 這個死亡地帶再次證明了它的險惡, 船隻在這裏無影無蹤地消失。 在下期視頻中, 我們前往百慕大三角。 那裏到底隱藏着什麼樣的超自然力量? 我們下期再見。 就一個令人難以置信的自然奇觀, 那就是巨大的水下瀑布。 這看起來是不是很震撼? 好像真的大海中間出現了一個巨大的瀑布, 不管其如何波瀾壯闊, 但實際上它並不是一個流動的水域, 而是海底結構形成的一種視覺上的錯覺。 由於這個原因, 許多船隻在經過這裏時會感到莫名的驚慌, 生怕自己的船會被困在裏面。 二、新西蘭的螢火蟲洞。 新西蘭可以說是世界上最美麗的國家之一, 所有的山峯、神淵、冰川等一系列洞穴景觀, 簡直來自一個童話世界。 不僅如此, 新西蘭還有一個洞穴因螢火蟲而出名, 每年吸引全世界衆多遊客前往參觀, 這是一個龐大的溶洞系統, 它早在三千萬年前是沉睡於深海的, 經過海水侵蝕日積月累, 形成各式各樣美不勝收的中乳石和石損, 巖洞也成爲如今的樣子, 優越的自然環境引來大量的螢火蟲棲息在這裏, 造就了自然界中最奇特的景觀。 當然,成千上萬的螢火蟲飛起時, 它就像是一艘神奇的船隻穿越洞穴。 三、天子山。 天子山位於湖南省, 是世界上最不尋常的山脈之一, 佔地面積約70平方公里, 它們由石英沙岩構成, 大約四億年前首次從地球上出現, 隨後對岩石的侵蝕造就了這些受削的山脈。 山峯高達1200多米, 編譯一位農民的傳說命名, 他領導了一場反抗壓迫政權的起義, 並稱自己爲向王天子, 巖壁平滑陡峭, 甚至有些可以地面呈90度直角, 一座座山峯直衝雲霄, 聳立在群山之中, 當山頂被寶物籠罩之時, 真有一種身臨仙境之感。 難怪阿凡達、西遊記等影視劇都來此地取景, 置身其中, 你是否能回想起影片中的同款場景呢? 全球疫情還此起彼伏, 想泡個天然溫泉並不容易實現, 所以原則是不泡自己, 要泡就直接泡熟, 泡一輩子。 美國最大的溫泉黃石公園大棱鏡溫泉, 絕對滿足上面的苛刻條件, 它比一個足球場還大, 寬約近百米, 深度至少達到了四十九米, 這樣的大小能夠容納十層樓高的建築, 泉水從地面裂縫流出, 每分鐘大約會湧出兩千公升, 中心處的水溫接近九十攝氏度, 越往邊走溫度越低, 但平均溫度仍在七十一攝氏度左右, 基本可以泡到七分熟, 也正因如此, 它時刻被霧氣環繞, 而溫泉絢麗的色彩, 是水中礦物質、 藻類和含色素的細菌 在不斷變換的熱環境中 共同作用的結果。 有趣的是, 此處所呈現出來的彩虹色環, 恰好符合一束白光, 通過棱鏡後的色散現象, 根據季節的不同, 你能看到紅、橙、黃、綠、藍, 不得不感嘆大自然的鬼譜神功。 懷着對大自然的敬畏之情, 我們已經習慣了 看到不規則形狀的自然構造, 但見到方形山石, 還是對它匪夷所思的自然構造感到疑惑, 其不合理的地方在於, 它的形狀就像一塊被人工切割完整的山地, 被整個大陸撐了起來, 四周山壁基本上都是呈90度垂直地面, 被吉尼斯世界記錄 評選爲世界上最高的平頂山, 甚至有人把它稱之爲桌面山。 這座山大約已有三億年曆史, 地處委內瑞拉、巴西和圭亞納三國交界處, 長期以來已成爲當地信仰的一部分, 不少人們認爲它是世界之樹的樹樁, 曾經結出世界上所有的水果和蔬菜, 這也啓發了不少故事, 如著名小說《尼斯的世界》和電影《天堂瀑布》。 6、塞內加爾的玫瑰湖 玫瑰湖位於塞內加爾的首都達卡爾東北部29公里處, 也被稱爲雷巴湖, 它的含鹽量非常高, 湖的顏色是視野微生物的傑作, 使得整個湖水看起來粉嫩異常, 好多人把這粉紅色的湖水比作巨大的草莓奶昔, 也是醉了, 這麼多肢體在裏面攪動, 以後提起草莓奶昔都有點陰影了, 這種不同尋常的色調, 在當年的11月至次年6月旱季時期尤爲突出, 生長在海岸周邊的洋紅色灌木叢則更突出了這種效果, 這片湖雖然含鹽量高, 但仍有魚類是可以存活的, 這也使得該湖泊成爲一個重要的經濟中心, 所以也就能看到漁民在湖面捕魚的場景, 那麼這裏的魚是不是都不需要醃製, 直接晾曬儲存就行了? 中國充滿了許多令人難以置信的地理景觀, 但也許沒有什麼比盤界紅海灘更令人驚訝的了, 它位於遼寧省盤界市西南部的遼河入海口附近, 紅海灘的締造者是一顆看起來羸弱纖細的小草, 它就是鹼棚草, 它們的顏色從粉紅到火紅再到紫紅, 這也是該地區如此引人注目的原因。