「薛丁格的貓」有了新答案?日本物理學家稱可讓貓「死而復生」

2020-12-08 前瞻網

薛丁格的貓是一種著名的以貓為基礎的思維實驗，它描述了亞原子粒子的神秘行為。

假設中，貓和一個毒氣裝置被放在一個黑盒子裡，毒氣裝置有50%的可能性被隨機打開，在觀測者打開盒子之前，他永遠不知道貓是處於活的狀態還是死的狀態，於是貓處於兩者的疊加態，正如亞原子粒子同時會以多種狀態疊加存在。

10月1日發表在《新物理學雜誌》(the New Journal of Physics)上的一項研究描述了一種既能觀測到貓，又不會確定其狀態的方法。

通過這樣做，它促進了科學家對物理學中最基本的悖論之一的理解。

在我們這個普通的、宏觀的世界裡，觀察一個物體似乎不會改變它的狀態。但如果把觀察的尺度足夠放大，就不是這樣了。

該研究的第一作者、日本廣島大學物理學副教授霍爾格·霍夫曼說:「我們通常認為，我們為觀察所付出的代價是微不足道的。」

「這是不正確的。為了觀察，你必須有光，而光會改變物體。」

這是因為即使是一個光子也會將能量從你所看到的物體中轉移出去或轉移到它身上。

霍夫曼和當時在廣島大學(Hiroshima University)做訪問本科生、現在在印度理工學院孟買分校(Indian Institute of Technology Bombay)工作的卡爾蒂克·派特卡爾(Kartik Patekar)想知道，有沒有一種方法可以讓人們在不「付出代價」的情況下觀察事物。

他們得出了一個數學框架，這個框架將最初的互動(觀察貓)和讀數(知道貓是死是活)區分開來。

「我們的主要動機是非常仔細地觀察量子測量是如何發生的，」霍夫曼說，「關鍵是我們把測量分為兩個步驟。」

通過這樣做，Hoffman和Patekar能夠假設所有參與初始相互作用、或因觀察而產生的光子都被捕獲了，而沒有丟失關於貓的狀態的任何信息。

所以在讀數之前，所有關於貓的狀態(以及觀察是如何改變它的)的信息都是可用的。只有當我們讀取信息時，我們會失去一些。

霍夫曼說:「有趣的是，讀取過程會選擇這兩種信息中的一種，然後完全抹去另一種。」

下面是他們如何用薛丁格的貓來描述他們的工作。

他們假設貓還在箱子裡，但與其向箱子裡觀察貓是死是活，不如在箱子外面架設一臺能拍到箱內照片的相機 (為了思維實驗,忽略了一個事實，那就是物理上這樣的相機不工作)。

一旦照片被拍攝下來，相機就會有兩種信息:貓是如何因為被拍攝照片而改變的(研究人員稱之為量子標記)，以及在互動之後貓是死是活。這些信息都還沒有丟失。

取決於你如何選擇「發展」圖像，你檢索其中一個或另一個信息。

霍夫曼在接受Live Science雜誌採訪時表示，就像拋硬幣一樣。你可以選擇是知道一枚硬幣是被拋了或其現在是正面還是反面。但你不可能兩者都知道。

更重要的是，如果你知道一個量子系統是如何變化的，如果這個變化是可逆的，那麼就有可能恢復它的初始狀態(如果是硬幣，你可以把它拋回去)。

「你總是要先幹擾系統，但有時你可以撤銷它，」霍夫曼說。

就貓而言，這意味著拍一張照片，但不是把它衝洗出來看清楚，而是讓貓恢復到死而復生的狀態。

重要的是，讀數的選擇需要在測量的解析度和幹擾之間進行權衡，二者是完全相等的。

解析度是指從量子系統中提取了多少信息，而擾動是指系統發生了多少不可逆的變化。換句話說，你越了解貓的當前狀態，你就越無法挽回地改變它。

霍夫曼說:「我發現令人驚訝的是，消除幹擾的能力與你觀察到的信息(或測量到的物理量)有多少直接相關。」

「這裡的數學是相當精確的。」

澳大利亞國立大學(Australian National University)的理論物理學家麥可·霍爾(Michael Hall)在電子郵件中表示，儘管之前的研究指出了在量子測量中解析度和幹擾之間的權衡，但這篇論文是第一次對確切的關係進行了量化。

「據我所知，以前的研究結果中，沒有一個是關於解析度和擾動的確切的等式，」Hall說，他沒有參與這項研究。

「這使得論文中的方法非常簡潔。」

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