這是第131篇漫畫，所有圖片約3.9MB。
每個人都希望能像孫悟空一樣，有一雙慧眼，能夠看透一切表面現象，看清一切事物的本質。
但說起來容易做起來難。 其實是很難做到的。 因為本質總是隱藏在表面深處。 如果我們想要抓住本質，就不可能等待它自己找上門來。 我們得想辦法把它挖出來。
今天我們要講述一個物理學家利用量子力學透過表面的迷霧挖掘出事物本質的故事。
我們要探索的“本質”其實很簡單量子力學物理學家，就是看天空中的某個亮點是一顆恒星還是兩顆不同的恒星。 你可能覺得這個問題太簡單了。 只要用望遠鏡看看你就知道你已經到了，對吧？
望遠鏡也很難。 因為光是這件事就根本不誠實。 你告訴它走直線，但它不會走直線。 相反，它會像波浪一樣席??卷大片區域。
一個點發出的光，經過望遠鏡拍攝后，不再是一個點，而是一個光點。
如果旁邊有一個發光的點，在照片中，它們只是兩個光點。
如果這兩點距離很近，兩個光點就會模糊在一起，你就分不清誰是誰了。
這時，大自然隱藏了它的本質。 你以為你看到的是一顆星星，但實際上它可能是一顆星星，也可能是兩顆星星。 沒有人能說出有多少人。
科學上的事情不要亂搞，因為只要你錯過了最微小的細節，你就會大錯特錯。 例如，你認為距離我們最近的恒星比鄰星是一顆恒星。 我們地球人本可以移民到那里并建立第二個家園。
但事實上，它周圍有兩顆恒星，形成三體系統，不適合人類定居。 如果半途才發現，后悔就來不及了，只能自暴自棄，給后人以警示！
當然，這不能怪望遠鏡，因為它的分辨率已經達到了極限，無論你怎么努力，結果都是一樣的。
更具有欺騙性的是，天空中的許多星星都很暗淡，它們發出的光子也只是數量而已。 現在就更麻煩了。 光子是基本粒子。 如果你把兩個相同的光子放在一起，你就無法分辨誰是誰，更不用說它們是來自同一個地方還是半路相遇了。 。 不要說你無法區分，上帝也無法區分。 如果想從兩個光子推導出它們的起源，那根本就是不可能的任務。
事情發展到這個地步，別說走極端了，望遠鏡恐怕都想辭職了。
難道就沒有更好的辦法嗎？ 難道我們只是看著大自然欺騙我們嗎？
如果你不懂量子力學，答案就是無解。 人類永遠會被表面的迷霧所欺騙，永遠找不到事物的本質。
但幸運的是，我們現在已經進入了2020年，物理學家們早已熟悉了量子力學的研究。 他們從量子力學中找到了處理它的方法。
這個想法是，如果想要更清楚地看到星星，就不能被動地接收光子，而必須主動出擊，想辦法對光子玩弄花招。 這種圖案最好能改變，改變的幅度與星星的相對位置有關。 這樣，我們就可以通過分析圖案變化的幅度來推斷出兩顆恒星的距離有多遠。
那么，這是什么招數呢？ 在量子力學看來，這種伎倆只有一種可能，那就是干涉。
什么是干擾？ 如果你把兩塊石頭扔進水里，就會引起兩道波浪。 當水波重疊重疊時，就會形成特殊的紋理。 這就是水波的干涉現象。
如果你經常扔石頭，你會發現水波的干涉紋理會發生變化。 如果干涉條紋看起來像這樣，你就會知道兩塊巖石一定靠得很近。
如果干涉條紋看起來像這樣，你就知道兩塊巖石之間的距離一定有點遠。
因此，通過測量水波的干涉條紋，就可以推算出兩個波源之間的距離。 同樣，通過測量光子的干涉條紋，物理學家也可以計算出兩個光源之間的距離。
但量子力學所講的干涉和我們所說的水波干涉有兩個不同之處。
首先，量子力學中的干涉并不是指兩個可見的波的干涉，而是指兩個不可見的概率波的干涉。 因為在量子力學中，所有光子同時既是粒子又是概率波。 它們會以不同的概率出現在不同的地方。
如果它們的概率波動，您就看不到它們。 你只能先記下各個地方收集到的光子數量，將其轉化為概率，然后將各個地方的概率相加，繪制成圖表，才能看到這種波動。 這就是我說的“采取主動”的意思。
那么，如果你收集兩顆非常接近且非常暗淡的恒星發出的所有光子，你會看到什么樣的干涉現象呢？ 不幸的是，除了一堆堆疊在一起的亮點之外，你看不到任何干擾。
因此，我們必須強調量子力學干涉的第二個區別。 我們不能拒絕所有來者并計算他們來的概率。 相反，我們必須把無用的概率放在一邊，專門選擇有用的概率。 這就是我說的“主動”的第二個含義。
具體來說，不是計算單個光子出現的概率，而是計算“兩個光子同時出現的概率”。 這樣，您收集的數據就會小得多。 因為如果天空中真的有兩顆星星，它們不一定會同時發光。 即使它們同時發光，它們的光子也可能不會同時到達地球。 “兩個光子同時出現的概率”肯定比“先檢測到一個光子，然后檢測到另一個光子的概率”低得多。
但你要知道，精華是濃縮的。 一個光子的概率不會干擾，“第一個被檢測到，然后另一個”的概率也不會干擾。 只有“同時檢測到兩個光子的概率”才會產生干擾。 如果你把這個概率畫成圖，你會清楚地看到干涉條紋真的再現了！
此外，你還可以根據這條條紋計算出兩顆星星之間的距離。
由于這種方法不是一個光子的概率波的干涉，而是兩個同時到達的光子的整體概率波的干涉，所以物理學家稱之為雙光子干涉，或者二階干涉。
利用雙光子干涉，自然界中很多原本看不清楚的東西終于可以看清楚了。 物理學家用它來清楚地看到有多少顆恒星，也用它來看到恒星的大小。 生物學家用它來觀察熒光標記的蛋白質分子。 粒子物理學家用它來觀察微觀粒子的大小和相互作用范圍。
這件事就像給科學家配備了一雙銳利的眼睛。 無論是雞精、戲精還是骨精，都能夠看清一切的本質！
這種方法雖然好，但其局限性也很明顯，那就是對兩個光子的特性過于挑剔。 兩個光子不僅必須同時到達兩個不同的探測器，而且它們的顏色也必須完全相同。 因為它們只有具有相同的顏色才會發生干擾。 否則，不會產生干涉條紋，該方法也無效。 你看到的將會是一堆分不清誰是誰的光點，不過是多了一層顏色而已。
這種限制的問題很嚴重。 要知道，天空中的星星本質上是暗淡的，物理學家一次收集數據少則幾天，多則幾年。 現在好多了，但我們必須對光子的顏色很挑剔，這比達芬奇畫雞蛋的要求更高。 這個實驗根本不可能做！
別灰心，已經是 2020 年了量子力學物理學家，物理學家已經熟悉了量子力學的研究。 他們不僅從量子力學中找到了處理的方法，而且還提出了解決方案。 這是擦除顏色信息的雙光子干涉實驗，由中國科學技術大學潘建偉、諾貝爾獎獲得者弗蘭克·威爾切克（Frank）、斯坦福大學喬丹·科特勒（ ）等人共同完成。
實驗的思路并不難理解。 你不希望光子具有相同的顏色嗎？ 我不能讓不同的對你來說看起來都一樣嗎？
在量子力學中，光子的不同顏色本質上是光子能量的不同。 對于光子探測器來說，如果能量相同，則兩個光子的顏色相同。 另一方面，如果顏色不同，則兩個光子的能量不同。
因此，如果想讓兩個不同顏色的光子變成同一個，其實很簡單。 只要想辦法彌補他們之間的能量差就可以了。 具體方法是，研究團隊使用了一種名為“周期性極化鈮酸鋰波導（PPLN）”的裝置。 這個裝置的神奇之處在于，只要你愿意給它提供能量，它就能以一定的概率將低能光子變成高能光子，相當于給光子整容了。
至于光子探測器，我不在乎你的光子是天生可愛還是整容過。 只要能量符合要求，我就會認出你一模一樣。
因此，本次實驗剩下的最后一步就是扔掉整容失敗的光子對應的數據，只保留整容成功的光子的數據。 結果，他們竟然又看到了干涉條紋！
這個實驗存在干擾英語作文，是因為探測器被整容愚弄，無法區分光子的顏色信息，從而產生干擾。 這相當于在光子進入探測器之前擦除了光子的顏色信息。 這樣的探測器可以稱為顏色擦除探測器，因此這個實驗被稱為擦除顏色信息的雙光子干涉實驗。 實驗結果發表在2019年12月的《物理評論快報》上。
雖然這個實驗還比較簡陋，但它從原理上證明了，即使兩顆恒星距離很近，光線很暗淡，顏色也不同，我們仍然可以清楚地看到它們實際上是兩顆不同恒星的“本質” 。 。 這件事不僅對天文學很重要，而且對分子生物學來說也是一個新的機遇。 未來，如果兩種不同顏色的熒光分子在顯微鏡下重疊，生物學家將能夠看出它們是哪一種。
總之，雙光子干涉將不再像以前那樣挑剔，它的應用范圍已經開始向外擴展。
量子力學就這樣突破了望遠鏡分辨率的光學極限，成為我們的金眼，讓我們透過一切表面現象看清一切事物的本質。
筆記：
1. 狄拉克說：“光子……只干擾自身。” 因此，雙光子實驗應該理解為“由兩個光子a和b組成的集體，對集體本身產生干擾”。
2. 這種集體干擾發生在兩個小波之間。 如下圖所示，第一個小波是“一個光子從光源a跑到探測器1，同時一個光子從光源b跑到探測器2”； 第二個小波是反轉兩個光子。 也就是說，一個光子從光源 A 運行到 2 號探測器，同時一個光子從光源 B 運行到 1 號探測器。”
這兩個小波傳播的距離長度不一樣，因此當兩個小波到達探測器時，存在一定的相位差。 該相位差的大小與兩個光源之間的距離R和兩個檢測器之間的距離d成正比。 因此，通過改變探測器之間的距離d并測量干涉條紋的變化圖案，就可以測量光源的相對距離R。
3、雙光子干涉成立的前提是兩個光子必須完全不可區分。 因此，物理學家要求兩個光子的顏色必須相同。
4.實際的實驗原理比漫畫說的要復雜。 它們之間存在三個區別。
首先，物理學家并不直接將紅色光子轉換為藍色光子，而是讓它們以一定的概率相互轉換：紅色可能變成藍色，藍色可能變成紅色。 雖然這樣做會“犧牲”一些藍色光子，但這種犧牲可以讓兩個光子再次干涉，所以是必要的。
其次，物理學家并不直接將紅色光子轉換為藍色光子，而是將紅色光子轉換為某種“紅藍疊加態”。 同時，藍色光子也轉化為另一種“藍紅疊加態”。 而且這個過程需要第三方激光的能量來輔助，所以這個疊加態實際上是“紅色光子、藍色光子和第三方激光”形成的某種疊加態。
前面提到的第三方激光器有一個特殊的名字，叫做泵浦光。 因此，所謂“換臉”過程，實際上就是兩種光子和泵浦光進入周期性偏振的鈮酸鋰波導，然后藍色光子有一定概率釋放出泵浦光子，變成紅光； 紅色光子有機會吸收泵浦光子并將其轉化為藍光。
第三，根據前兩點的差異，你會發現實驗的最終輸出可能是以下三類情況： 1. 兩個藍色光子； 2. 兩個紅色光子； 3.一紅一藍。 研究小組扔掉了第二個和第三個案例的數據，只保留了第一個案例，因此他們觀察到了雙光子干涉現象。 因此，我們的漫畫里說“紅色光子經過整容，變成了藍色光子”。 這是從沒有被丟棄的部分數據來看的。
參考：
1.曲洛元等人。 顏色 。 物理。 萊特牧師。 123、.
2. 光的J,F,V.[J]. arXiv arXiv：1607.05719，2016。
3.拜姆·G.布朗——特威斯:從星星到[J]. arXiv nucl-th/，1998。
4. Fox M.：[M]。 牛津大學出版社，2006 年。
5. Brown RH, Twiss R Q. 一種新型on的測試[J]. , 1956, 178(4541): 1046-1048。