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一個最有趣的問題:萬物皆量子嗎?

http://finance.sina.com   2020年10月16日 20:20   北京新浪網

  文章來源:原理

  你有沒有過在同一時間身處多個地方的經歷?如果你的尺寸比一個原子要大得多,那答案一定是否定的。但粒子則不同,它們由量子力學定律支配。根據量子力學,幾種不同的可能情況可以同時共存。

  量子系統受到波函數的控制,這種函數是一種數學對象,描述了這些不同的可能情況的概率。在波函數中這些不同的可能性的共存,被稱爲不同的態的疊加。比如,當一個粒子同時存在於幾個不同的地方時,我們稱之爲空間疊加。只有在進行測量時,波函數才會坍縮,使系統最終處於一種確定的態。

  一般來說,量子力學適用於原子級的微觀粒子世界。它對於大尺度物體意味着什麼仍無定論。在近日發表於《光學設計》的一項研究中,研究人員提出了一個實驗,有望徹底解決這個棘手的問題。

  20世紀30年代,奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrödinger)提出了一個著名的思考實驗——盒子裏的一隻貓。根據量子力學的理論,薛定諤的貓可以既是活的,又是死的。

  在薛定諤的思想實驗中,一隻貓被放在一個密封的盒子裏,這個盒子裏有一個存在一半機率會殺死貓的隨機量子事件。盒子裏的這隻貓既是死的又是活的,直到盒子被打開並被觀察到。換句話說,在被觀察到之前,貓是以(有多種可能性的)波函數的形式存在的。當它被觀察到時,它才變成了一個確定的對象。

  經過許多的爭論之後,當時的科學界對哥本哈根詮釋達成了共識。這基本上說的是,量子力學只能應用於原子和分子尺度,而無法描述更大的物體。

  但在過去的二十年間,物理學家已經在大到肉眼可見的、由數萬億個原子組成的物體中創造出了量子態。不過,空間疊加卻遲遲沒有納入其列。

  但是,波函數是如何成爲一個“真實”的物體的?這就是物理學家所說的“量子測量問題”。近一個世紀以來,它一直讓科學家甚至哲學家困擾。

  如果有一種機制能消除大尺度物體的量子疊加的可能性,那麼波函數就會受到某種方式的“擾動”,從而產生熱。如果能發現這種熱,就意味着大尺度的量子疊加是不可能的。如果能排除這種熱,那麼就意味着自然可能並不介意在任何尺度上的“量子化”。假如是後者,隨着技術的進步,我們應當可以讓大型的物體,甚至是有感知的生物,處於量子態中。

  量子疊加中諧振器的示意圖。紅色的波代表波函數。| 圖片來源:Christopher Baker

  物理學家並不知道阻止了大尺度的量子疊加的機制是什麼樣的。一些科學家表示,這可能是一個未知的宇宙學領域,還有人則懷疑引力可能與此有關。今年的諾貝爾物理學獎得主羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)曾認爲,生物意識或許與此密不可分。

  在過去十數年間,物理學家一直在熱切地尋找能表明波函數受到了擾動的微量的熱。想要找到這種熱,人們需要一種能夠(儘可能完全)抑制其他所有過剩熱源的方法,因爲那些熱源可能會妨礙精確測量。科學家還需要控制一種被稱爲量子“反作用”的效應,也就是由觀察這一舉動本身所產生的熱。

  在這項新的研究中,研究人員設計了一個實驗,有望揭示空間疊加在大尺度物體上的可能性。迄今爲止最好的實驗都還沒有完成這個目標。

  和先前的實驗一樣,新設計的實驗將需要用到一個被冷卻到只比絕對零度高0.01開爾文的製冷器,但它將要使用比之前頻率更高的諧振器,這樣可以消除製冷器本身的熱量問題。

  在這種極低溫度和極高頻率的結合下,諧振器中的振動會經歷玻色凝聚過程。你可以將其簡單想象成諧振器被凍得非常牢固,以至於製冷器裏的熱完全無法左右它。新設計的實驗還會使用到一種不同的測量策略,它並不關注諧振器的運動,而是看它有多少能量。這種方法也能很好地抑制反作用的熱。

  那麼實驗要如何進行呢?研究人員計劃讓單光子進入諧振器,並來回反彈數百萬次,將所有剩餘的能量都吸收。這些粒子最終會離開諧振器並帶走多餘的能量。通過測量光子的能量,研究人員就可以確定諧振器中是否存在熱量。

  如果存在熱量,就表明波函數已經受到了某種(不受研究人員控制的)未知來源的干擾。這就意味着,大尺度的疊加不可能發生。

  新研究提出的實驗極具挑戰性。用論文作者的話說,“這不是那種你可以在週日下午就隨便安排好的事情”。它可能需要數年時間的發展、數百萬美元的經費,以及一羣有經驗的實驗物理學家。

  儘管如此,它可以回答關於我們的現實的一個最有趣的問題:萬物皆量子嗎?

  撰文:Stefan Forstner(昆士蘭大學博士後研究員)

  原文標題爲“Could Schrödinger’s cat exist in real life? Our research may soon provide the answer”,於2020年10月14日首發於The Conversation,原文鏈接:https://theconversation.com/could-schrodingers-cat-exist-in-real-life-our-research-may-soon-provide-the-answer-147752,文章基於CC協議翻譯,中文內容略有編輯,僅供參考,一切內容以原文爲準。

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