这是第131篇漫画，所有图片约3.9MB。
每个人都希望能像孙悟空一样，有一双慧眼，能够看透一切表面现象，看清一切事物的本质。
但说起来容易做起来难。 其实是很难做到的。 因为本质总是隐藏在表面深处。 如果我们想要抓住本质，就不可能等待它自己找上门来。 我们得想办法把它挖出来。
今天我们要讲述一个物理学家利用量子力学透过表面的迷雾挖掘出事物本质的故事。
我们要探索的“本质”其实很简单量子力学物理学家，就是看天空中的某个亮点是一颗恒星还是两颗不同的恒星。 你可能觉得这个问题太简单了。 只要用望远镜看看你就知道你已经到了，对吧？
望远镜也很难。 因为光是这件事就根本不诚实。 你告诉它走直线，但它不会走直线。 相反，它会像波浪一样席卷大片区域。
一个点发出的光，经过望远镜拍摄后，不再是一个点，而是一个光点。
如果旁边有一个发光的点，在照片中，它们只是两个光点。
如果这两点距离很近，两个光点就会模糊在一起，你就分不清谁是谁了。
这时，大自然隐藏了它的本质。 你以为你看到的是一颗星星，但实际上它可能是一颗星星，也可能是两颗星星。 没有人能说出有多少人。
科学上的事情不要乱搞，因为只要你错过了最微小的细节，你就会大错特错。 例如，你认为距离我们最近的恒星比邻星是一颗恒星。 我们地球人本可以移民到那里并建立第二个家园。
但事实上，它周围有两颗恒星，形成三体系统，不适合人类定居。 如果半途才发现，后悔就来不及了，只能自暴自弃，给后人以警示！
当然，这不能怪望远镜，因为它的分辨率已经达到了极限，无论你怎么努力，结果都是一样的。
更具有欺骗性的是，天空中的许多星星都很暗淡，它们发出的光子也只是数量而已。 现在就更麻烦了。 光子是基本粒子。 如果你把两个相同的光子放在一起，你就无法分辨谁是谁，更不用说它们是来自同一个地方还是半路相遇了。 。 不要说你无法区分，上帝也无法区分。 如果想从两个光子推导出它们的起源，那根本就是不可能的任务。
事情发展到这个地步，别说走极端了，望远镜恐怕都想辞职了。
难道就没有更好的办法吗？ 难道我们只是看着大自然欺骗我们吗？
如果你不懂量子力学，答案就是无解。 人类永远会被表面的迷雾所欺骗，永远找不到事物的本质。
但幸运的是，我们现在已经进入了2020年，物理学家们早已熟悉了量子力学的研究。 他们从量子力学中找到了处理它的方法。
这个想法是，如果想要更清楚地看到星星，就不能被动地接收光子，而必须主动出击，想办法对光子玩弄花招。 这种图案最好能改变，改变的幅度与星星的相对位置有关。 这样，我们就可以通过分析图案变化的幅度来推断出两颗恒星的距离有多远。
那么，这是什么招数呢？ 在量子力学看来，这种伎俩只有一种可能，那就是干涉。
什么是干扰？ 如果你把两块石头扔进水里，就会引起两道波浪。 当水波重叠重叠时，就会形成特殊的纹理。 这就是水波的干涉现象。
如果你经常扔石头，你会发现水波的干涉纹理会发生变化。 如果干涉条纹看起来像这样，你就会知道两块岩石一定靠得很近。
如果干涉条纹看起来像这样，你就知道两块岩石之间的距离一定有点远。
因此，通过测量水波的干涉条纹，就可以推算出两个波源之间的距离。 同样，通过测量光子的干涉条纹，物理学家也可以计算出两个光源之间的距离。
但量子力学所讲的干涉和我们所说的水波干涉有两个不同之处。
首先，量子力学中的干涉并不是指两个可见的波的干涉，而是指两个不可见的概率波的干涉。 因为在量子力学中，所有光子同时既是粒子又是概率波。 它们会以不同的概率出现在不同的地方。
如果它们的概率波动，您就看不到它们。 你只能先记下各个地方收集到的光子数量，将其转化为概率，然后将各个地方的概率相加，绘制成图表，才能看到这种波动。 这就是我说的“采取主动”的意思。
那么，如果你收集两颗非常接近且非常暗淡的恒星发出的所有光子，你会看到什么样的干涉现象呢？ 不幸的是，除了一堆堆叠在一起的亮点之外，你看不到任何干扰。
因此，我们必须强调量子力学干涉的第二个区别。 我们不能拒绝所有来者并计算他们来的概率。 相反，我们必须把无用的概率放在一边，专门选择有用的概率。 这就是我说的“主动”的第二个含义。
具体来说，不是计算单个光子出现的概率，而是计算“两个光子同时出现的概率”。 这样，您收集的数据就会小得多。 因为如果天空中真的有两颗星星，它们不一定会同时发光。 即使它们同时发光，它们的光子也可能不会同时到达地球。 “两个光子同时出现的概率”肯定比“先检测到一个光子，然后检测到另一个光子的概率”低得多。
但你要知道，精华是浓缩的。 一个光子的概率不会干扰，“第一个被检测到，然后另一个”的概率也不会干扰。 只有“同时检测到两个光子的概率”才会产生干扰。 如果你把这个概率画成图，你会清楚地看到干涉条纹真的再现了！
此外，你还可以根据这条条纹计算出两颗星星之间的距离。
由于这种方法不是一个光子的概率波的干涉，而是两个同时到达的光子的整体概率波的干涉，所以物理学家称之为双光子干涉，或者二阶干涉。
利用双光子干涉，自然界中很多原本看不清楚的东西终于可以看清楚了。 物理学家用它来清楚地看到有多少颗恒星，也用它来看到恒星的大小。 生物学家用它来观察荧光标记的蛋白质分子。 粒子物理学家用它来观察微观粒子的大小和相互作用范围。
这件事就像给科学家配备了一双锐利的眼睛。 无论是鸡精、戏精还是骨精，都能够看清一切的本质！
这种方法虽然好，但其局限性也很明显，那就是对两个光子的特性过于挑剔。 两个光子不仅必须同时到达两个不同的探测器，而且它们的颜色也必须完全相同。 因为它们只有具有相同的颜色才会发生干扰。 否则，不会产生干涉条纹，该方法也无效。 你看到的将会是一堆分不清谁是谁的光点，不过是多了一层颜色而已。
这种限制的问题很严重。 要知道，天空中的星星本质上是暗淡的，物理学家一次收集数据少则几天，多则几年。 现在好多了，但我们必须对光子的颜色很挑剔，这比达芬奇画鸡蛋的要求更高。 这个实验根本不可能做！
别灰心，已经是 2020 年了量子力学物理学家，物理学家已经熟悉了量子力学的研究。 他们不仅从量子力学中找到了处理的方法，而且还提出了解决方案。 这是擦除颜色信息的双光子干涉实验，由中国科学技术大学潘建伟、诺贝尔奖获得者弗兰克·威尔切克（Frank）、斯坦福大学乔丹·科特勒（ ）等人共同完成。
实验的思路并不难理解。 你不希望光子具有相同的颜色吗？ 我不能让不同的对你来说看起来都一样吗？
在量子力学中，光子的不同颜色本质上是光子能量的不同。 对于光子探测器来说，如果能量相同，则两个光子的颜色相同。 另一方面，如果颜色不同，则两个光子的能量不同。
因此，如果想让两个不同颜色的光子变成同一个，其实很简单。 只要想办法弥补他们之间的能量差就可以了。 具体方法是，研究团队使用了一种名为“周期性极化铌酸锂波导（PPLN）”的装置。 这个装置的神奇之处在于，只要你愿意给它提供能量，它就能以一定的概率将低能光子变成高能光子，相当于给光子整容了。
至于光子探测器，我不在乎你的光子是天生可爱还是整容过。 只要能量符合要求，我就会认出你一模一样。
因此，本次实验剩下的最后一步就是扔掉整容失败的光子对应的数据，只保留整容成功的光子的数据。 结果，他们竟然又看到了干涉条纹！
这个实验存在干扰英语作文，是因为探测器被整容愚弄，无法区分光子的颜色信息，从而产生干扰。 这相当于在光子进入探测器之前擦除了光子的颜色信息。 这样的探测器可以称为颜色擦除探测器，因此这个实验被称为擦除颜色信息的双光子干涉实验。 实验结果发表在2019年12月的《物理评论快报》上。
虽然这个实验还比较简陋，但它从原理上证明了，即使两颗恒星距离很近，光线很暗淡，颜色也不同，我们仍然可以清楚地看到它们实际上是两颗不同恒星的“本质” 。 。 这件事不仅对天文学很重要，而且对分子生物学来说也是一个新的机遇。 未来，如果两种不同颜色的荧光分子在显微镜下重叠，生物学家将能够看出它们是哪一种。
总之，双光子干涉将不再像以前那样挑剔，它的应用范围已经开始向外扩展。
量子力学就这样突破了望远镜分辨率的光学极限，成为我们的金眼，让我们透过一切表面现象看清一切事物的本质。
笔记：
1. 狄拉克说：“光子……只干扰自身。” 因此，双光子实验应该理解为“由两个光子a和b组成的集体，对集体本身产生干扰”。
2. 这种集体干扰发生在两个小波之间。 如下图所示，第一个小波是“一个光子从光源a跑到探测器1，同时一个光子从光源b跑到探测器2”； 第二个小波是反转两个光子。 也就是说，一个光子从光源 A 运行到 2 号探测器，同时一个光子从光源 B 运行到 1 号探测器。”
这两个小波传播的距离长度不一样，因此当两个小波到达探测器时，存在一定的相位差。 该相位差的大小与两个光源之间的距离R和两个检测器之间的距离d成正比。 因此，通过改变探测器之间的距离d并测量干涉条纹的变化图案，就可以测量光源的相对距离R。
3、双光子干涉成立的前提是两个光子必须完全不可区分。 因此，物理学家要求两个光子的颜色必须相同。
4.实际的实验原理比漫画说的要复杂。 它们之间存在三个区别。
首先，物理学家并不直接将红色光子转换为蓝色光子，而是让它们以一定的概率相互转换：红色可能变成蓝色，蓝色可能变成红色。 虽然这样做会“牺牲”一些蓝色光子，但这种牺牲可以让两个光子再次干涉，所以是必要的。
其次，物理学家并不直接将红色光子转换为蓝色光子，而是将红色光子转换为某种“红蓝叠加态”。 同时，蓝色光子也转化为另一种“蓝红叠加态”。 而且这个过程需要第三方激光的能量来辅助，所以这个叠加态实际上是“红色光子、蓝色光子和第三方激光”形成的某种叠加态。
前面提到的第三方激光器有一个特殊的名字，叫做泵浦光。 因此，所谓“换脸”过程，实际上就是两种光子和泵浦光进入周期性偏振的铌酸锂波导，然后蓝色光子有一定概率释放出泵浦光子，变成红光； 红色光子有机会吸收泵浦光子并将其转化为蓝光。
第三，根据前两点的差异，你会发现实验的最终输出可能是以下三类情况： 1. 两个蓝色光子； 2. 两个红色光子； 3.一红一蓝。 研究小组扔掉了第二个和第三个案例的数据，只保留了第一个案例，因此他们观察到了双光子干涉现象。 因此，我们的漫画里说“红色光子经过整容，变成了蓝色光子”。 这是从没有被丢弃的部分数据来看的。
参考：
1.曲洛元等人。 颜色 。 物理。 莱特牧师。 123、.
2. 光的J,F,V.[J]. arXiv arXiv：1607.05719，2016。
3.拜姆·G.布朗——特威斯:从星星到[J]. arXiv nucl-th/，1998。
4. Fox M.：[M]。 牛津大学出版社，2006 年。
5. Brown RH, Twiss R Q. 一种新型on的测试[J]. , 1956, 178(4541): 1046-1048。