常樸子：差異相對論原理／薛丁格的貓是否可以長大（三）

現在大家一定知道了使量子超距糾纏的物質是這種小S場。它是物質的活動場所。我們所謂的引力波，量子糾纏等物理現象都與這種場相關。

「此後，物理學家不斷嘗試在實驗上製造出更大的量子物體。這些物體比單個原子大得多，不過和一隻活生生的貓相比還很小，常被稱為「薛丁格的小貓」，而它們正在迅速地長大。」

按理來說，薛丁格小貓是可以長大的，但是它到底能長多大，還不好下一個結論。

「要讓薛丁格的小貓長成大貓，關鍵在於維持其量子相干性。簡單地說，就是要讓量子態波函數的波峰、波谷的變化保持同步。在量子態隨時間演化的過程中，它會與周圍的環境產生糾纏，量子態的相干性會在這個過程中洩露到環境中，就像熱量耗散一樣，損失掉了。」

「如果從量子信息的角度理解相干性逐漸損失的過程，那就是信息由『非定域』退化到『定域』的過程。量子相干的系統中存在非定域關聯，信息是由整個量子系統中的所有粒子共同攜帶；如果你想要了解量子相干系統中部分粒子的性質，僅僅對這一部分粒子做測量還不夠，這樣總有一些信息被遺漏掉。這種信息的非定域性已經無法用先前『量子襪子』的類比來理解了，因為一旦我們觀測了一隻襪子的顏色，那麼我們已經獲得了全部的信息，不存在遺漏。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的沃傑西奇·祖克（Wojciech Zurek）構建了一套理論，用量子失諧（quantum discord）來表示測量之後信息遺漏的程度。對於經典系統，測量之後沒有遺漏信息，因此經典系統的量子失諧量為零。如果量子失諧量大於零，那麼系統中就包含有一定程度的量子性。」

「退相干過程也就是量子失諧量不斷損失的過程，系統的量子特徵逐漸轉化為經典特徵：所有的事件都有明確定義的時刻與空間位置，沒有疊加態，沒有糾纏，也沒有非定域性。」

這只是相對而言的。在所有物質的形式中，疊加和糾纏是永遠分不開的。沒有這樣的疊加，便有那樣的疊加，沒有這樣的糾纏，便有這樣的糾纏。

是的，一切物質都具有二象性特徵，這種二象性特徵就是疊加和糾纏。這種特徵由量子的相干攜同轉化為經典特徵，儘管所有事件都有明確定義的時刻與空間位置，沒有非定域性，但形式疊加和糾纏依然存在。因為具體的事物是由形式的對稱性疊加並在運動中糾纏。這是物質固有的限定。

也許，科學家並不這麼認為。但作為一個哲學家而言，這種形式上的疊加糾纏意味著物質存在本質的那種點線面的限定。沒有這種限定，物質也就為之不是物質了。

「那麼，是不是系統的規模越大，就越容易退相干呢？電子等微觀粒子可以表現為相干的量子波，這一點早在20世紀20年代的電子幹涉實驗中就已經得到證實。不久之後，實驗中又用完整的原子展示出了波動性。然而直到90年代，科學家才能夠讓較大的分子表現為物質波，呈現出量子相干性。」

現在，沒有科學家懷疑所有物質都具有波粒二象性這樣的屬性。

「1999年，維也納大學的安東·蔡林格（Anton Zeilinger）與馬庫斯·阿恩特（Markus Arndt）讓富勒烯（C60，由60個碳原子構成的分子）順序通過縫隙間距100納米的氮化矽陶瓷光柵，並在遠處檢測到了富勒烯的幹涉條紋。而截至目前，阿恩特與合作者已經用人工製造的包含430個原子、直徑達到6納米的有機分子展示出了量子波動性。它與較小的蛋白質分子大小相當，已經可以直接在電子顯微鏡下觀察。不過這種人造有機分子的量子性非常脆弱。一旦從真空進入氣體環境中，它就會與大量分子產生相互作用，發生退相干。」

「實驗中，有機分子同時通過了光柵中的多條狹縫，也就是處於不同空間位置狀態的疊加態。雖然它還很小，也並非活物，但可以視為一種分子級別的『薛丁格小貓』。那麼我們是否有可能繼續擴大規模，讓生命體處於疊加態呢？比如，『薛丁格的病毒』？」

病毒可以被看作是一種生命，它的體積很小，但我們在顯微鏡下是可以看到的。科學家在企圖使生命處於量子的疊加狀態，以便遠距離傳遞。如果真的能實現人體量子化傳遞的話，用一種方法，使人體形成一種疊加糾纏態，一點按鈕，我們就到了我們想要去的任何地方，而且同一時刻。

「伊格納西奧·西雷克（Ignacio Cirac）與奧裡奧爾·羅梅羅-伊薩特（Oriol Romero-Isart）是德國加興的普朗克量子光學研究所（the Max Planck Institute for Quantum Optics）的物理學家，他們提出了製造量子生命體的具體設想，如直徑約100納米的病毒；甚至還有更大，實現起來也更為困難的緩步類動物（tardigrades），如水熊蟲，體長可達1毫米。他們計劃使生命體懸浮在用高強度雷射光阱中，利用光場的振蕩，誘導生命體處於不同振動模式（就好像是在碗底滾上滾下的小球）的疊加態。緩步類動物可以在宇宙空間中存活，因此或許也能夠承受製備量子疊加態所需的極端環境。不過，目前這些還都只是設想。」

常樸子原式藝術實踐瓢畫篇

上面說一種水熊蟲也叫水熊，是對緩步動物門生物的俗稱，有記錄的約有900餘種，其中許多種是世界性的分布的。水熊體型極小，必須用顯微鏡才能看清，身體表層覆蓋著一層水膜，用於避免身體乾燥，同時可呼吸水膜中的氧氣。主要生活在淡水的沉渣、潮溼土壤以及苔蘚植物的水藻中，少數種類生活中海水的潮間帶，靠尖銳的吸針吸食動植物細胞裡的汁液為生。最大的特點就是從卵體裡出來就已經成年了，沒有童年期，身體內的細胞終生都不會改變，水熊是地球上生命最強的生物，具有強大的生命力與高超的生存本領，能低溫隱生，低溼隱生，缺氧隱生，變滲隱生，也可以高溫生存，甚至可以在沒有防護措施的條件下在外太空生存。有人說水熊是一種永生的生物。

「目前，人類已經能夠讓裸眼可見的物體處於糾纏態。2011年，牛津大學的物理學家伊恩·沃爾斯利（Ian Walmsley）帶領研究團隊，用雷射脈衝在兩塊相距15釐米、直徑為3毫米的金剛石晶體激發出了糾纏的量子振動。振動對應的量子稱為『聲子』，單個聲子涉及約10^16個原子的振動，對應於約0.05毫米×0.25毫米大小的晶體區域，而他們用這種方法製造出了糾纏聲子。研究者首先讓一個雷射光子通過分束器。假設在正常情況下，分束器可以將一束含有大量光子的較強的光分成強度各半的A、B兩束；那麼，當單個光子通過分束器時，這個光子就有50%的概率沿A路徑傳播，有50%的概率沿B路徑傳播；然而，如果我們不去探測光子究竟沿哪條路徑傳播，則光子就處在『沿A路徑傳播』與『沿B路徑傳播』的疊加態。研究者在A、B路徑上各放置一塊金剛石，疊加態光子便會在金剛石中激發出糾纏態的聲子，聲子進而發射出次級光子。研究人員能探測到這個次級光子，但不知道光子是從哪個金剛石發出的，因而可以認為金剛石中的聲子發生了糾纏，或者說這個聲子是非定域的——它同時存在於兩塊金剛石中。」

光子通過晶體可以激發出次級光子，這說明晶體裡存在著和光子相同的物質。根據差異相對論原理，一切物質的基本單元都是一樣的，粒子越小，相同性就越是鮮明。在宇宙真空中，到處都存在著一種微量子的線形疊加態。

「我們也可以藉助納米機械振子（nanomechanical resonators）這種相對『龐大』的系統來觀測量子效應。分子尺度上的振動是量子化的，只能有一些特定的頻率，或者是這些可能存在的振動模式的疊加態。而納米機械振子尺寸和質量都足夠小，理論上可以表現出量子化的振動狀態。我們可以通過振子與光的相互作用測量振子的振動狀態，這一研究領域稱為光力學（optomechanics）。研究光力學所用的最基本的裝置由兩個相對放置的鏡面組成，光子可以在兩個鏡面之間不斷反射，而其中一個鏡面與機械振子連接，其位置可以往復振動，導致光子所處的電磁場環境發生周期性變化。」

「現今，已經有多個研究組用這種納米尺度的光力系統展示出了量子特性。美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology）的約翰·特費爾（John Teufel）與同事用厚度100納米、直徑15微米的鋁膜做振子，將它與微波諧振腔耦合，構成光力系統。加州理工學院的奧斯卡·佩因特（Oskar Painter）等人則用矽做出了長度15微米，橫截面長600納米、寬100納米的兩端固定的梁結構振子。該振子要在顯微鏡下才能看到，但相比於分子來說已經算是宏觀物體了。為了保證振子只在能量最低的模式下振動，避免振子被熱噪聲激發，兩個研究團隊都用制冷機將振子冷卻到接近絕對零度，然後再用雷射或微波進一步降溫。」

「為了在振子上製造出疊加態或糾纏態，我們必須可以控制它們的量子行為。有一種方法是將振子與某種可以精確操控的量子物體耦合起來，例如用於製造量子計算機的『量子比特』。加州大學聖芭芭拉分校的安德魯·克萊蘭（Andrew Cleland）和同事用量子比特操控了一片氮化鋁薄膜。其他一些研究者也在嘗試製造疊加態的振子，觀察它們如何在與環境發生糾纏時發生退相干。這些振子就像是一隻只薛丁格的小貓，在真空中活蹦亂跳。

常樸子原式藝術實踐瓢畫篇