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薛定谔的猫会存在于现实生活中吗?我们的研究可能很快会提供答案
2020-10-17           作者: 科技领航人

  您能同时去过多个地方吗?因为您比一个原子大得多,这是不可能实现的。但是原子和粒子受量子力学规则支配,其中几种不同的可能情况可以同时存在。

  
 

  量子系统由所谓的“波动函数”(wave function)控制:一个描述这些不同可能情况的概率的数学对象。这些不同的可能性可以作为不同状态的“叠加”共存于波动函数中。例如,一次存在于几个不同位置的微小粒子就是我们所说的“空间叠加”。

  只有执行测量时,波动函数才会“崩溃”,并且系统最终以一种确定的状态结束。通常,量子力学适用于原子和粒子的微小世界。对于大型物体的含义尚无定论。在今天发表在Optica上的研究中,我们提出了一个实验,可以彻底解决这个棘手的问题。

  
 

  欧文·薛定谔的猫

  在1930年代,奥地利物理学家欧文·薛定谔(ErwinSchrdinger)提出了他著名的关于盒子里的猫的思想实验,根据量子力学,盒子里的猫可以同时活着或死掉。

  在其中,一只猫被放置在一个密封的盒子中,其中一个随机的量子事件有50–50的几率杀死它。在打开盒子并观察到猫之前,猫既死又活。

  
 

  换句话说,猫在被观察之前就以波动函数的形式存在(具有多种可能性)。当观察到它时,它便成为一个确定的对象。

  经过大量辩论,当时的科学界对“哥本哈根解释”达成了共识,认为量子力学只能应用于原子和分子,而不能描述更大的物体。

  原来他们错了。在过去的二十年左右的时间里,物理学家已经在由数万亿个原子组成的物体中创建了量子态,这些原子足够用肉眼可以看到。虽然,这还不包括空间叠加。

  
 

  波函数如何变为实数?

  但是波动函数如何变成“真实”对象?这就是物理学家所说的“量子测量问题”。大约一个世纪以来,它一直困扰着科学家和哲学家。

  如果有一种机制可以消除大规模物体中量子叠加的可能性,那么它将需要以某种方式“干扰”波函数——这会产生热量。如果发现这种热量,则意味着不可能进行大规模的量子叠加。如果排除了这种热量,那么自然界可能不介意任何大小的“量子化”。如果是后者,那么借助先进的技术,我们可以将大物体,甚至有意识的物体置于量子态。

  
 

  物理学家不知道阻止大规模量子叠加的机制会是什么样子。有人说,这是一个未知的宇宙学领域。其他人怀疑引力可能与它有关。今年的诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)认为,这可能是生物意识的结果。

  跟踪细微的活动

  在过去的十年左右的时间里,物理学家一直在热切地寻找痕量的热量,这表明波动函数受到干扰。

  为了找出答案,我们需要一种能够抑制(尽可能完美)所有其他“过多”热量的源,这些热量可能会妨碍精确测量。我们还需要保持一种称为量子“反作用”的效应,其中观察行为会产生热量。

  在我们的研究中,我们制定了这样的实验,它可以揭示对于大型物体是否可能进行空间叠加。迄今为止,最好的实验无法实现这一目标。

  
 

  图注:这是量子叠加中谐振器的图示,红色波代表波函数。

  用微小的振动光束找到答案

  我们的实验将使用比使用频率高得多的谐振器。这样可以消除冰箱本身发热量的问题。

  与以前的实验一样,我们需要在绝对零值以上0.01度开尔文处使用冰箱。(绝对值零是理论上可能的最低温度)。由于极低的温度和极高的频率的组合,谐振器中的振动经历了称为“玻色凝结”的过程。

  
 

  您可以将其想象为谐振器变得非常结实,以致冰箱中的热量无法摆动,甚至一点也不会摆动。我们还将使用一种不同的测量策略,该策略完全不考虑谐振器的运动,而是考虑其具有的能量。该方法也将强烈抑制反作用热。

  但是,我们将如何做呢?

  单个光粒子将进入谐振器并来回反弹数百万次,吸收了多余的能量。它们最终将离开谐振器,带走多余的能量。通过测量发出的轻粒子的能量,我们可以确定谐振器中是否有热量。

  
 

  如果存在热量,则表明未知源(我们没有控制)干扰了波函数。这意味着叠加不可能大规模发生。

  一切都是量子的吗?

  我们提出的实验具有挑战性。这不是您可以在周日的下午随意设置的东西。它可能需要数年的发展、数百万美元和一大堆熟练的实验物理学家。

  但是,它可以回答有关我们现实的最令人着迷的问题之一:所有事物都是量子的吗?因此,我们当然认为值得付出努力。至于将人或猫置于量子叠加中,实际上我们没有办法知道这将如何影响这种存在。

  幸运的是,这是我们现在不必考虑的问题。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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