光的一種奇異現(xiàn)象可能正在顛覆量子力學(xué)的基礎(chǔ)。光子是構(gòu)成光的粒子，它們構(gòu)成了一個基于光的莫比烏斯環(huán)，其中表現(xiàn)出的動量特征是此前科學(xué)家認(rèn)為不可能出現(xiàn)的。這項發(fā)現(xiàn)可能會動搖量子力學(xué)的一些基本假設(shè)，后者是描述亞原子粒子世界的經(jīng)典理論。
這項研究的合作者之一，愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院的物理學(xué)家保羅·埃薩姆指出：“這是光的一種基本性質(zhì)，我們證明了其和人們此前設(shè)想的不太一樣?！?/p>
“空心”的光
這項研究的最早淵源還要追溯到200多年前，當(dāng)時的愛爾蘭物理學(xué)家和天文學(xué)家威廉·漢密爾頓和他的合作者漢弗萊·勞埃德預(yù)言，具備某種特定內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的晶體將能夠產(chǎn)生中空的“光管路”，前提條件是入射光線照射到晶體表面的角度合適。
為了向這一200多年前的偉大發(fā)現(xiàn)致敬，埃薩姆與合作者決定深入探查這一現(xiàn)象背后的理論基礎(chǔ)。首先他想到的是，這樣一種中空形態(tài)的光線對于光子的角動量究竟意味著什么。隨著在數(shù)學(xué)運算方面的深入進行，他突然意識到一些奇怪的事情：在這一中空光線中的光子將具備的角動量約為1.5倍的普朗克常數(shù)，后者是描述能量與波長之間關(guān)系的基本物理學(xué)常數(shù)。
但這樣的情況是令人難以相信的，因為量子理學(xué)原理限定了光子的角動量必須是普朗克常數(shù)的整數(shù)倍，比如2倍，-3倍等等，而不能出現(xiàn)0.5倍這樣的情況。
自旋為半的光子
為了檢驗他們計算結(jié)果是否的確在現(xiàn)實中存在，他們決定對這一理論進行實驗驗證。他們將一束激光以精確的特定角度射向一塊晶體，隨后使用一種被稱作干涉儀的光學(xué)部件對這束激光進行分束，并按照其自旋特征進行分離。
非常明確的實驗結(jié)果就是，在測量時，這些光子的角動量值分別顯示約為1.5倍普朗克常數(shù)和-1.5倍普朗克常數(shù)。研究組已經(jīng)將相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在4月29日出版的在線版《科學(xué)進展》雜志上。
這項研究的另外一位合作者，同樣來自愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院的物理學(xué)家凱勒·巴蘭汀(Kyle Ballantine)表示，這項發(fā)現(xiàn)非常有趣，因為其暗示光子的行為可能與我們此前對其作出的預(yù)測不符合。他說：“所有粒子都可以被分為兩大類，第一類叫玻色子，其中就包括光子，這類粒子的特點是它們都有整數(shù)角動量(自旋量子數(shù)是整數(shù))。
另一類粒子叫做費米子，比如電子，這類粒子的自旋量子數(shù)就不是整數(shù)。這樣的區(qū)別非常重要，因為這會導(dǎo)致非常不同的量子行為。而我們此次研究的結(jié)果顯示，我們能夠創(chuàng)造出一束光子流，其行為類似費米子，這兩者是完全不同的?！?/p>
不過，這項研究也并不會就此削弱普朗克常數(shù)的重要性，或是顛覆整個亞原子物理學(xué)大廈的根基。埃薩姆表示：“我們并未打破量子力學(xué)?！?/p>
當(dāng)然，不管如何，這項研究得到的結(jié)果仍然非常新穎，它深層的意義目前仍然不甚明確。但其中一項至少是明確的：這項發(fā)現(xiàn)將對量子計算和密碼學(xué)研究產(chǎn)生影響，這兩個領(lǐng)域的研究都是基于亞原子粒子的相關(guān)性質(zhì)，而關(guān)于這一方面，我們可能需要修正一些原先的觀點。
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