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1701063442 超流态氦是我们在进行楼梯间的水桶的思想实验时所假想的量子液体的具体实现,其形态几乎是超现实的,既可以沿着容器壁爬出容器,也可以在无限小的微孔中流动。它没有黏度,所以光滑得令人难以置信。例如,假如慢慢旋转一个装满了超流态氦的碗,你会看到容器旋转,但氦不旋转。现在,我们舀出一杯超流态氦,将它竖直放在碗的上方。一滴超流态氦会抗拒重力,爬上杯子的内壁,翻过杯口,落回到碗里。这一滴刚刚落下,另一滴便开始爬上杯子。像科学幻想一样,超流态氦会自发落回碗里,一次一滴,直到杯子流空。
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1701063444 这种怪异的形态是量子同步的一种表现形式。当液体冷却到非常低的温度时,就会变得高度有序。正常情况下,它们会凝结成晶体。但氦的两种同位素,氦3和氦4,至少在通常压力条件下不会凝固。随着温度一路下降到绝对零度,它们会一直保持液态。这种液体通过另一种意义上的自动排序解决了矛盾:经历玻色-爱因斯坦凝聚,变成了量子的合唱。这里的玻色子是氦4原子或氦3原子对,类同于库珀对。在极低的温度下,所有原子的运动减慢,引起量子波的延伸,所依据的是前文提到的海森堡不确定性原理。在临界温度,量子波重叠,自发落入相同的量子态,将数万亿计的原子同步为相位相干的超流体。
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1701063446 1997年,加州大学伯克利分校由谢默斯·戴维斯(Seamus Davis)和理查德·帕卡德(Richard Packard)带领的物理学家团队,让水桶思想实验变成了现实。他们取了不同压力下的两小匙超流体,通过薄弱的连接,即上面打了数千个狭小微孔的超薄柔性膜,将它们耦合起来。根据费曼的分析,超流体会在微孔中来回振荡,其振荡频率与压力差成正比(然而正常的流体只是简单地从高压侧流到低压侧)。这个实验非常与众不同,部分是因为氦不带电,这意味着它的流量无法像电流一样被检测到;部分是因为微孔必须特别小,大约比细菌小100倍。
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1701063448 戴维斯和帕卡德花了10年的时间来寻找预期的振荡,但一无所获。现在他们有了新策略,一个新的研究生团队正准备开始尝试。他们的计划是,瞬间将薄膜歪斜,将液体挤压到一侧,创造一个瞬态的压力差。然后,随着薄膜回到平衡状态,他们便可以监控内部超流体的振荡。交流约瑟夫森效应的特征是振荡的频率逐渐降低,随着压力差重新降为零,振荡的声音会逐渐变得低沉。但即使有最好的示波器,研究生们也没发现任何类似的东西。他们把原因归咎于系统中存在过多的噪音。经过几个月的努力仍一无所获,他们非常沮丧,准备放弃实验。
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1701063450 他们的导师帕卡德让他们关掉示波器,尝试用听筒听振动的声音。学生们不同意,认为这毫无作用,在他们看来,那里一无所有。“他们确实不想做了,最后他们找到的不想做的原因仅仅是实验室中没有听筒。”帕卡德回忆道。于是帕卡德去了附近的一家电子器材商店,花1.5美元买来了听筒。学生们说连接器错误,帕卡德又买来了适配器。
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1701063452 研究生谢尔盖·佩列韦尔泽夫(Sergey Pereverzev)不情愿地插上了听筒,按下开关开始了实验。他几乎是从椅子上摔了下来。他的耳朵立即听到了示波器错过的东西:一个尖锐的声音,它的声调逐渐降低,像一枚坠落的炸弹。一切正如费曼的理论所预测的那样。
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1701063456 在过去40年中,量子同步引人注目的表现已经催生了若干实际应用。约瑟夫森的超导三明治结构——约瑟夫森结,催生了最灵敏的科学探测器。例如,一种被称为超导量子干涉器件的装置,利用的是超导电流在磁场中极度的灵敏性。超导量子干涉器件可以测量比原子核小1 000倍的位移,或比地磁场弱1 000亿倍的磁场。超导量子干涉器件应用在天文学中,可以用于检测来自遥远星系的微弱辐射;在无损检测中,它可以发现隐藏在飞机铝皮之下的腐蚀部位;在地球物理学中,则可以用于协助定位深埋地下的石油资源。
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1701063458 超导量子干涉器件由两个通过超导材料回路并联约瑟夫森结组成。为了想象这一情景,请将你的手臂举过头顶,双手紧握在一起。你的双肘就代表两个约瑟夫森结,由你的手臂和肩膀组成的圆环代表超导回路。超导量子干涉器件的基本原理是,磁场中的变化会改变两个约瑟夫森结两侧的相位差,从而改变它们之间的隧穿电流。就像池塘里的涟漪,可能会在碰撞时加强(波峰遇到波峰),也可能相互抵消(波峰遇到波谷),超导量子干涉器件双臂中的量子波的干涉方式敏感地依赖于它们的相位,进而依赖于回路中的磁通量。这样,超导量子干涉器件微小的磁通量变化就转变成了可测量的电流和电压的变化,使得超微弱的电磁信号可以被检测和量化。
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1701063460 一些最引人注目的应用是在医学成像领域。利用由数百个超导量子干涉器件传感器组成的阵列,医生可以精确地确定脑肿瘤的部位,以及与心律失常和致痫灶(直接引起某些癫痫发作的部位)有关的不规则电通路。超导量子干涉器件阵列可以描绘身体产生的磁场中微妙的空间变化,得到的轮廓图使计算机可以重建产生信号的组织内的区域。这些步骤与常规的探查术不同,完全是无创的。尽管多通道成像机高昂的价格妨碍了它的广泛应用,但从长远来看,它们有可能大大降低医疗保健成本。例如,利用超导量子干涉器件阵列定位致痫灶大约需要3个小时,而另一种方法是在病人的大脑中植入电极,这需要持续一个星期之久,花费5万美元以上。
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1701063462 约瑟夫森结也被视为新一代超级计算机可能的组件。其具有的一个优势的特征是它们的原始速度:它们开启和关闭的频率为几千亿赫兹。而或许更重要的是,约瑟夫森晶体管产生的热量是传统半导体的千分之一,这意味着它们可以排布得更密集,而不会发热。我们总是喜欢密集的排布,因为体积小的电脑运行速度更快。通过使用较少的电线,它们受光速的影响更小,这最终决定了信号从电路的一个部分传递到另一部分所花费的时间。
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1701063464 由于这些诱人的优良特性,IBM为这个备受瞩目的项目投入了15年和3亿美元,以研发超导计算机,这是一种超快且通用的机器,其逻辑和内存芯片使用了约瑟夫森结制造的开关。这是很自然的想法,因为某些类型的结有两个稳态——一个是零电压,另一个是正电压。任何有两种状态的器件都是用作开关的候选,对应于计算机使用的二进制逻辑。类似地,计算机内存某一特定位的有无会被编码成相应的约瑟夫森存储元件中的电压的有无。
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1701063466 1983年,IBM放弃了这个项目,理由是开发高速存储芯片十分困难。管理层认为,等到这种新计算机建成的时候,它的性能也不会比半导体计算机领先很多,这种方法的革命性变革无法得到充分体现。从那时起,日立、日本电气公司、富士通和其他日本企业便一直追逐着约瑟夫森计算机的梦想。
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1701063470 实际上,约瑟夫森本人几乎没有参加出自他本人工作成果的新产品的开发。1973年,33岁的约瑟夫森获得诺贝尔奖后放弃了主流物理领域,开始全神贯注地研究超自然现象:顺势疗法(14)、超感官知觉(ESP)、遥视(15),甚至用意念弯曲勺子。如今他仍然在研究这些问题,他的态度是,这些现象应当受到科学界更多的关注,不应该被列入“黑名单”,而目前的情况正相反。
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1701063472 当我们告诉我的学生们约瑟夫森现在的样子时,他们大笑不已。我的同事们的反应也类似;他们通常摇摇头,抱怨他误入歧途,而少数人甚至变得十分愤怒,认为他把自己的名望投入到了主要由骗子和盲从者组成的领域中。最近,这种敌意完全公开了,原因是约瑟夫森蓄意挑起了事端。
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1701063474 2001年10月2日,英国皇家邮政局发行了一套特殊的邮票,以纪念诺贝尔奖设立100周年。邮票上附有一个小册子,小册子中是诺贝尔奖全部6个奖项(物理学奖、化学奖、医学奖、和平奖、文学奖以及经济学奖)的英国籍获奖者受邀撰写的关于所获奖项的短文。对于物理学奖获奖者,他们碰巧选择了约瑟夫森。以下是约瑟夫森的短文:
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1701063476 物理学与诺贝尔奖
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1701063478 布赖恩·约瑟夫森
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1701063480 剑桥大学物理系
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1701063482 物理学家试图将自然的复杂性降低到一个统一的理论中,其中最成功和最通用的量子理论,已经与数个诺贝尔奖相关,例如狄拉克和海森堡获得的那些奖项。100年前,马克斯·普朗克最初尝试解释热体辐射的精确能量,这是以数学形式捕捉神秘的、难以捉摸的世界的开端,这个世界上包含着“相隔很远存在的幽灵般的相互作用”,这足够真实,并催生了诸多发明,例如激光和晶体管。
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1701063484 量子理论正卓有成效地与信息论和计算理论结合。这些发展可能会让我们可以解释传统科学中无法理解的过程,例如心灵感应,英国目前已处在了该领域研究的前沿。
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1701063486 心灵感应?总有一天它会被量子力学解释吗?毫无疑问,物理学界迅速对此表现出了厌恶。“这完全是垃圾。”牛津大学量子物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)说:“心灵感应根本不存在,皇家邮政局被一派胡言蒙骗了。”“我很怀疑,”加州大学圣芭芭拉分校的诺贝尔奖得主赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)说,“很少有人相信心灵感应的存在,同样也不相信物理学能够解释它。皇家邮政局卷入其中似乎是个错误。当然,如果美国邮政局做了这样的事情,我们中的很多人都会很愤怒。”对此,皇家邮政局做出了无力的辩解,一位发言人说:“抱歉,我们只能访问为数不多的几位英国籍诺贝尔物理学奖得主,所以只好选择了约瑟夫森。”
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1701063488 物理学界的傲慢是毫无根据的。约瑟夫森曾经是一个英雄,现在仍然是。当我读到他对超自然现象的讨论时,并不感觉逆耳和荒谬。他似乎的确对这些可能性很好奇。他希望科学家们更仔细地观察它们。量子理论本身就很奇怪,几乎就像约瑟夫森所思考的事情一样牵强。正如100年前没有人会相信,数十亿个电子能够一起同步,穿过坚不可摧的壁垒。
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1701063490 但这并不是说我同意约瑟夫森的观点。约瑟夫森相信,“有些人可以在没有物理接触的情况下使金属弯曲”,这太难接受了。在任何情况下,每当我想到他现在的样子,最强烈的感觉就是怀念。即使分开30年了,但物理学界的很多人仍然很想念他。
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