奇怪的物理现象表明物体可以同时有两个温度
在我们的世界里，温度只是一回事。如果冰箱冷得足以结冰，你放在里面的水就应该结冰。但是量子力学允许物体在多个状态之间的不确定性中存在，在某种意义上，它不止是一件事——就像薛定谔的猫（Schrödinger's cat🐱 ）在他的思想实验中一样生死存亡。在2018年，我们了解到这同样适用于温度。从某种角度看，量子物体可以同时是热的和冷的。
著名的思维实验被称为薛定谔的猫，它意味着盒子里的猫可以同时死亡和活着，这是量子力学的一个奇异现象。
现在，英国埃克塞特大学的物理学家们发现，温度可能存在类似的不平衡状态：物体可以在量子水平上同时处于两个温度。这种奇怪的量子悖论是几十年来首次提出的全新的量子不确定性关系。
1927年，德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）假设，你越精确地测量一个量子粒子的位置，你就越不精确地知道它的动量，反之亦然——这条规则将成为现在著名的海森堡不确定性原理（Heisenberg uncertainty principle）。
新的量子不确定性表明，你对温度的了解越精确，你对能量的了解就越少，反之亦然，这对研究比纳米小得难以置信的微小物体的纳米科学具有重大意义。研究人员在今年6月份发表在《自然通讯》杂志上的最新研究报告中说，这一原理将改变科学家测量量子点、小半导体或单个细胞等极微小物体温度的方式。
20世纪30年代，海森堡和丹麦物理学家玻尔在非量子尺度上建立了能量与温度之间的不确定性关系。这个想法是，如果你想知道一个物体的确切温度，最好也是最精确的科学方法是将它浸入一个已知温度的“蓄水池”（比如一桶水，或者一个装满冷空气的冰箱）中，让这个物体慢慢变成这个温度。这叫做热平衡。
然而，热平衡是由物体和储层不断交换能量来维持的。因此，你物体中的能量以无穷小的数量上下移动，使得它不可能精确定义。另一方面，如果你想知道物体中的精确能量，你就必须把它隔离开来，这样它就不能与任何东西接触，也不能与任何东西交换能量。但是如果你把它隔离，你就不能用一个储存器精确测量它的温度。这个限制使温度不确定。
当你进入量子尺度时，事情会变得更奇怪。
即使一个典型的温度计有一个稍微上升和下降的能量，这个能量仍然可以在很小的范围内被知道。新的研究表明，在量子层面上这根本不是真的，这都是由于薛定谔的猫。这个想法实验提出了一个理论上的猫在一个盒子里，里面有一种可以被放射性粒子衰变激活的毒药。根据量子力学的定律，粒子可以同时衰变而不是衰变，这意味着在盒子打开之前，猫将同时死亡和活着，这一现象被称为叠加。研究人员运用数学和理论来准确预测这种叠加对量子物体温度测量的影响。
由于温度计不再具有定义明确的能量，实际上是同时处于不同状态的组合中，这实际上导致了我们可以测量的温度的不确定性。
在我们的世界里，温度计可能告诉我们一个物体在零下0.5到0℃之间。在量子世界里，温度计可能会告诉我们一个物体同时是这两种温度。新的不确定性原理解释了量子的怪异。
在量子尺度上物体之间的相互作用可以产生叠加，也可以产生能量。旧的不确定性关系忽略了这些影响，因为它对非量子物体无关紧要。但是，当你试图测量量子点的温度时，这一点非常重要，这个新的不确定性关系构成了一个理论框架来考虑这些相互作用。
Image: © Yvonne Gao, Yale University