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萬(wàn)物皆量子嗎

中科院半導(dǎo)體所 ? 來(lái)源:中科院半導(dǎo)體所 ? 作者:中科院半導(dǎo)體所 ? 2020-10-30 16:13 ? 次閱讀
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你有沒(méi)有過(guò)在同一時(shí)間身處多個(gè)地方的經(jīng)歷?如果你的尺寸比一個(gè)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(xué)定律支配。根據(jù)量子力學(xué),幾種不同的可能情況可以同時(shí)共存。

量子系統(tǒng)受到波函數(shù)的控制,這種函數(shù)是一種數(shù)學(xué)對(duì)象,描述了這些不同的可能情況的概率。在波函數(shù)中這些不同的可能性的共存,被稱為不同的態(tài)的疊加。比如,當(dāng)一個(gè)粒子同時(shí)存在于幾個(gè)不同的地方時(shí),我們稱之為空間疊加。只有在進(jìn)行測(cè)量時(shí),波函數(shù)才會(huì)坍縮,使系統(tǒng)最終處于一種確定的態(tài)。

一般來(lái)說(shuō),量子力學(xué)適用于原子級(jí)的微觀粒子世界。它對(duì)于大尺度物體意味著什么仍無(wú)定論。在近日發(fā)表于《光學(xué)設(shè)計(jì)》的一項(xiàng)研究中,研究人員提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn),有望徹底解決這個(gè)棘手的問(wèn)題。

20世紀(jì)30年代,奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schr?dinger)提出了一個(gè)著名的思考實(shí)驗(yàn)——盒子里的一只貓。根據(jù)量子力學(xué)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(shí)驗(yàn)中,一只貓被放在一個(gè)密封的盒子里,這個(gè)盒子里有一個(gè)存在一半幾率會(huì)殺死貓的隨機(jī)量子事件。盒子里的這只貓既是死的又是活的,直到盒子被打開(kāi)并被觀察到。換句話說(shuō),在被觀察到之前,貓是以(有多種可能性的)波函數(shù)的形式存在的。當(dāng)它被觀察到時(shí),它才變成了一個(gè)確定的對(duì)象。

經(jīng)過(guò)許多的爭(zhēng)論之后,當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)哥本哈根詮釋達(dá)成了共識(shí)。這基本上說(shuō)的是,量子力學(xué)只能應(yīng)用于原子和分子尺度,而無(wú)法描述更大的物體。

但在過(guò)去的二十年間,物理學(xué)家已經(jīng)在大到肉眼可見(jiàn)的、由數(shù)萬(wàn)億個(gè)原子組成的物體中創(chuàng)造出了量子態(tài)。不過(guò),空間疊加卻遲遲沒(méi)有納入其列。

但是,波函數(shù)是如何成為一個(gè)“真實(shí)”的物體的?這就是物理學(xué)家所說(shuō)的“量子測(cè)量問(wèn)題”。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái),它一直讓科學(xué)家甚至哲學(xué)家困擾。

如果有一種機(jī)制能消除大尺度物體的量子疊加的可能性,那么波函數(shù)就會(huì)受到某種方式的“擾動(dòng)”,從而產(chǎn)生熱。如果能發(fā)現(xiàn)這種熱,就意味著大尺度的量子疊加是不可能的。如果能排除這種熱,那么就意味著自然可能并不介意在任何尺度上的“量子化”。假如是后者,隨著技術(shù)的進(jìn)步,我們應(yīng)當(dāng)可以讓大型的物體,甚至是有感知的生物,處于量子態(tài)中。

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

物理學(xué)家并不知道阻止了大尺度的量子疊加的機(jī)制是什么樣的。一些科學(xué)家表示,這可能是一個(gè)未知的宇宙學(xué)領(lǐng)域,還有人則懷疑引力可能與此有關(guān)。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)曾認(rèn)為,生物意識(shí)或許與此密不可分。

在過(guò)去十?dāng)?shù)年間,物理學(xué)家一直在熱切地尋找能表明波函數(shù)受到了擾動(dòng)的微量的熱。想要找到這種熱,人們需要一種能夠(盡可能完全)抑制其他所有過(guò)剩熱源的方法,因?yàn)槟切嵩纯赡軙?huì)妨礙精確測(cè)量。科學(xué)家還需要控制一種被稱為量子“反作用”的效應(yīng),也就是由觀察這一舉動(dòng)本身所產(chǎn)生的熱。

在這項(xiàng)新的研究中,研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),有望揭示空間疊加在大尺度物體上的可能性。迄今為止最好的實(shí)驗(yàn)都還沒(méi)有完成這個(gè)目標(biāo)。

和先前的實(shí)驗(yàn)一樣,新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)將需要用到一個(gè)被冷卻到只比絕對(duì)零度高0.01開(kāi)爾文的制冷器,但它將要使用比之前頻率更高的諧振器,這樣可以消除制冷器本身的熱量問(wèn)題。

在這種極低溫度和極高頻率的結(jié)合下,諧振器中的振動(dòng)會(huì)經(jīng)歷玻色凝聚過(guò)程。你可以將其簡(jiǎn)單想象成諧振器被凍得非常牢固,以至于制冷器里的熱完全無(wú)法左右它。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)還會(huì)使用到一種不同的測(cè)量策略,它并不關(guān)注諧振器的運(yùn)動(dòng),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。

那么實(shí)驗(yàn)要如何進(jìn)行呢?研究人員計(jì)劃讓單光子進(jìn)入諧振器,并來(lái)回反彈數(shù)百萬(wàn)次,將所有剩余的能量都吸收。這些粒子最終會(huì)離開(kāi)諧振器并帶走多余的能量。通過(guò)測(cè)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(shù)已經(jīng)受到了某種(不受研究人員控制的)未知來(lái)源的干擾。這就意味著,大尺度的疊加不可能發(fā)生。

新研究提出的實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性。用論文作者的話說(shuō),“這不是那種你可以在周日下午就隨便安排好的事情”。它可能需要數(shù)年時(shí)間的發(fā)展、數(shù)百萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi),以及一群有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

盡管如此,它可以回答關(guān)于我們的現(xiàn)實(shí)的一個(gè)最有趣的問(wèn)題:萬(wàn)物皆量子嗎?

撰文:Stefan Forstner(昆士蘭大學(xué)博士后研究員) 原文標(biāo)題為“Could Schr?dinger’s cat exist in real life? Our research may soon provide the answer”,于2020年10月14日首發(fā)于The Conversation。 原文鏈接:https://theconversation.com/could-schrodingers-cat-exist-in-real-life-our-research-may-soon-provide-the-answer-147752,文章基于CC協(xié)議翻譯,中文內(nèi)容略有編輯,僅供參考,一切內(nèi)容以原文為準(zhǔn)。

責(zé)任編輯:xj

原文標(biāo)題:萬(wàn)物皆量子?

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