薛定谔猫又来刷存在感了

薛定谔猫是世界上最难以理解、最有趣的猫，因为它同时处于活和死的状态。一旦我们想要知道（观测）它究竟是死还是活，它就会立刻塌缩为其中的一种状态。这绝对是量子世界反直觉性中最有名的一个例子。如果你想迅速地回忆一下薛定谔猫可以阅读《薛定谔猫又来了，这次它同时出现在两个盒子中》。

自1935年，薛定谔猫思想实验被提出以来，它就不断地被讨论以及进行各种实验。当然，科学家不是用真的猫。科学家早就发现，薛定谔猫这种即死又活的状态也适用于分子。这次，斯坦福科学家继续探究了这个怪异却迷人的性质，他们拍摄了简单的碘分子的内部机构。他们利用X射线激光来捕捉比原子宽度还小（0.3Å）的细节，而且只维持了30飞秒。

在2005年的时候，物理学家在实验室中首次成功的制造出一个真实的“猫态”，六个原子同时处于“自旋向上”和“自旋向下”的状态。你可以想象一个时钟（即原子）同时顺时针（即自旋向上）和逆时针（即自旋向下）旋转。至那之后，其他的物理学家则在实验室中利用光子来制造猫态。

而在这次的实验中，科学家利用X射线激光冲击一个双原子分子的碘，它会吸收这突如其来的能量。这个冲击使分子分裂成两个版本的自己，一个处于激发态，另一个则没有，但两个态同时存在——即猫态。事实上，如果你取任意分子族，并用激光冲击都会看到相同的现象。关键在于，你无法非常清楚的看到究竟发生了什么。

（© SLAC)

这也是这项最新工作的重要性所在。一旦他们制造出了猫态，他们就会发射第二束X射线激光。光子会使处于激发态和非激发态的分子先散开再结合，制造出来的X射线图像就像是同心圆的全息图。

（© SLAC)

这个实验被不断地重复，他们就可以设法使一系列的X射线快照连贯起来制造世界上分子内部机构最详细的定格短片。基于对数十亿碘分子的成像，最终的短片捕捉了被X射线激光冲击后的碘分子的所有可能行为：

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在短片中，蓝色的点代表分子的两个原子，由一个键连接在一起。当分子开始振动时，两个原子相互靠近并且远离，它们就好像被弹簧连接在一起似的。在某些情况下，两个原子间的键断掉，使原子飞到空白处。但它们仍然被连接，在回来之前它们会在一定距离外呆一会儿。而红色点点则代表处于未激态的分子，它与激发态同时存在。随着时间流逝，我们看到振动慢慢地停下来直到分子再次保持静止。所有这些可能的结果都发生在几万亿分之一秒内。

这项工作可以帮助我们更好的了解分子的活动，或者生命系统的量子效应。对这些效应的深入理解可以使我们更好的了解嗅觉是怎么运作的，量子行为是光合作用重要的一部分吗，它在鸟类迁徙中扮演着什么角色，以及如何保护DNA免受紫外伤害等等。

参考文献：J.M. Glownia et al., accepted by Physical Review Letters (arXiv:1608.03039)

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