萬物皆量子？

2020-10-20 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，被稱為不同的態的疊加。比如，當一個粒子同時存在於幾個不同的地方時，我們稱之為空間疊加。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著什麼仍無定論。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·薛丁格（Erwin Schrödinger）提出了一個著名的思考實驗——盒子裡的一隻貓。根據量子力學的理論，薛丁格的貓可以既是活的，又是死的。


在薛丁格的思想實驗中，一隻貓被放在一個密封的盒子裡，這個盒子裡有一個存在一半機率會殺死貓的隨機量子事件。盒子裡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，波函數是如何成為一個「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，就意味著大尺度的量子疊加是不可能的。如果能排除這種熱，那麼就意味著自然可能並不介意在任何尺度上的「量子化」。假如是後者，隨著技術的進步，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）曾認為，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，因為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為量子「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。迄今為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。你可以將其簡單想像成諧振器被凍得非常牢固，以至於製冷器裡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）未知來源的幹擾。這就意味著，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周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，以及一群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）


原文標題為「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，原文連結：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，一切內容以原文為準。

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