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一个最有趣的问题:万物皆量子吗?

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文章来源:原理

你有没有过在同一时间身处多个地方的经历?如果你的尺寸比一个原子要大得多,那答案一定是否定的。但粒子则不同,它们由量子力学定律支配。根据量子力学,几种不同的可能情况可以同时共存。

量子系统受到波函数的控制,这种函数是一种数学对象,描述了这些不同的可能情况的概率。在波函数中这些不同的可能性的共存,被称为不同的态的叠加。比如,当一个粒子同时存在于几个不同的地方时,我们称之为空间叠加。只有在进行测量时,波函数才会坍缩,使系统最终处于一种确定的态。

一般来说,量子力学适用于原子级的微观粒子世界。它对于大尺度物体意味着什么仍无定论。在近日发表于《光学设计》的一项研究中,研究人员提出了一个实验,有望彻底解决这个棘手的问题。

20世纪30年代,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出了一个著名的思考实验——盒子里的一只猫。根据量子力学的理论,薛定谔的猫可以既是活的,又是死的。

在薛定谔的思想实验中,一只猫被放在一个密封的盒子里,这个盒子里有一个存在一半几率会杀死猫的随机量子事件。盒子里的这只猫既是死的又是活的,直到盒子被打开并被观察到。换句话说,在被观察到之前,猫是以(有多种可能性的)波函数的形式存在的。当它被观察到时,它才变成了一个确定的对象。

经过许多的争论之后,当时的科学界对哥本哈根诠释达成了共识。这基本上说的是,量子力学只能应用于原子和分子尺度,而无法描述更大的物体。

但在过去的二十年间,物理学家已经在大到肉眼可见的、由数万亿个原子组成的物体中创造出了量子态。不过,空间叠加却迟迟没有纳入其列。

但是,波函数是如何成为一个“真实”的物体的?这就是物理学家所说的“量子测量问题”。近一个世纪以来,它一直让科学家甚至哲学家困扰。

如果有一种机制能消除大尺度物体的量子叠加的可能性,那么波函数就会受到某种方式的“扰动”,从而产生热。如果能发现这种热,就意味着大尺度的量子叠加是不可能的。如果能排除这种热,那么就意味着自然可能并不介意在任何尺度上的“量子化”。假如是后者,随着技术的进步,我们应当可以让大型的物体,甚至是有感知的生物,处于量子态中。

量子叠加中谐振器的示意图。红色的波代表波函数。| 图片来源:Christopher Baker

物理学家并不知道阻止了大尺度的量子叠加的机制是什么样的。一些科学家表示,这可能是一个未知的宇宙学领域,还有人则怀疑引力可能与此有关。今年的诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)曾认为,生物意识或许与此密不可分。

在过去十数年间,物理学家一直在热切地寻找能表明波函数受到了扰动的微量的热。想要找到这种热,人们需要一种能够(尽可能完全)抑制其他所有过剩热源的方法,因为那些热源可能会妨碍精确测量。科学家还需要控制一种被称为量子“反作用”的效应,也就是由观察这一举动本身所产生的热。

在这项新的研究中,研究人员设计了一个实验,有望揭示空间叠加在大尺度物体上的可能性。迄今为止最好的实验都还没有完成这个目标。

和先前的实验一样,新设计的实验将需要用到一个被冷却到只比绝对零度高0.01开尔文的制冷器,但它将要使用比之前频率更高的谐振器,这样可以消除制冷器本身的热量问题。

在这种极低温度和极高频率的结合下,谐振器中的振动会经历玻色凝聚过程。你可以将其简单想象成谐振器被冻得非常牢固,以至于制冷器里的热完全无法左右它。新设计的实验还会使用到一种不同的测量策略,它并不关注谐振器的运动,而是看它有多少能量。这种方法也能很好地抑制反作用的热。

那么实验要如何进行呢?研究人员计划让单光子进入谐振器,并来回反弹数百万次,将所有剩余的能量都吸收。这些粒子最终会离开谐振器并带走多余的能量。通过测量光子的能量,研究人员就可以确定谐振器中是否存在热量。

如果存在热量,就表明波函数已经受到了某种(不受研究人员控制的)未知来源的干扰。这就意味着,大尺度的叠加不可能发生。

新研究提出的实验极具挑战性。用论文作者的话说,“这不是那种你可以在周日下午就随便安排好的事情”。它可能需要数年时间的发展、数百万美元的经费,以及一群有经验的实验物理学家。

尽管如此,它可以回答关于我们的现实的一个最有趣的问题:万物皆量子吗?

撰文:Stefan Forstner(昆士兰大学博士后研究员)

原文标题为“Could Schrödinger’s cat exist in real life? Our research may soon provide the answer”,于2020年10月14日首发于The Conversation,原文链接:https://theconversation.com/could-schrodingers-cat-exist-in-real-life-our-research-may-soon-provide-the-answer-147752,文章基于CC协议翻译,中文内容略有编辑,仅供参考,一切内容以原文为准。

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