誰殺死了「薛丁格的貓」?引力-物理,引力,薛丁格的貓,量子力學...

2020-12-05 驅動之家

理論物理學家認為,是扭曲的時空造成了量子效應在大尺度物體上的消失。

在埃爾溫·薛丁格那個著名的思想實驗中,量子世界裡的貓既是活的又是死的,它處在活與死的疊加態上,但為什麼在日常的宏觀世界中我們看不到這類現象呢?

物理學家的解釋是環境的幹擾所致:處在量子疊加態上的物體一旦與其他物體或者場發生作用,它就立刻坍縮到其中一個本徵態上,與日常世界中別的物體一般無二。

但維也納大學的研究者近期表示,哪怕物理學家可以完全隔離出一個處在量子疊加態的宏觀物體,它仍然會自發坍縮到一個態上——至少在地球上是這樣。

「或許在星際空間的某處,貓可以持續保持在量子相干態上,但在地球上,或是在任何行星的周邊,很難做到這一點。」物理學家Igor Pikovski說,「而造成這一切的原因,就是引力。

Pikovski和同事們的這一想法發表在6月15日的《自然·物理學》(Nature Physics)上,到目前為止還停留在數學論證的階段,但也有實驗物理學家對此深感興趣,希望用實驗來檢驗一下引力到底是不是量子疊加態坍縮的原因。

來自英國南安普頓大學的實驗物理學家Hendrik Ulbricht表示:「這真是一個新穎而酷炫的想法,我願意努力把它付諸實踐。」不過他也補充說,根據目前的技術而言,想要設計並做出這樣的實驗,可能需要十年之久。

引力是如何使薛丁格的貓坍縮的?

如果你看過去年的大片《星際穿越》(Interstellar),你可能就已經熟悉了愛因斯坦廣義相對論中所提出的這條原理:大質量物體周圍的時間流逝會變慢,因為極強的引力場會改變周圍時空的結構。這就是為什麼在電影中黑洞周圍只過去一小時,地球上就已經過了七年。

引力改變量子效應所依據的也是這條原理:在更微觀的層面上,地球附近的一個分子受到地球引力的作用,它所經過的時間也會比遙遠空間中的時間稍微慢一點點。

Pikovski的團隊發現,由於引力對時空的影響,分子位置的變化會影響它的內能,即分子內部粒子的振動能量,其也會隨著時間而演化。假如一個分子處於兩個位置的疊加態上(即「既在這裡又在那裡」),位置與內能之間的關聯會使得它迅速發生「退相干」,即坍縮到一條路徑上。

Pikovski補充道:「在大多數情況下,退相干都是由某種外部因素導致的,但在這裡我們發現,分子內部的振動似乎也會影響分子本身的運動。」

實驗的局限性

到現在為止還沒人能親眼看到這種效應的發生,這是因為磁場、熱輻射和振動等等因素造成的影響更大,在這些因素的幹擾下,還沒等到引力發揮作用,量子系統早就已經先坍縮了。但實驗學家仍然渴望嘗試驗證這一想法。

同樣來自維也納大學的實驗物理學家Markus Arndt於2011年設計了一個實驗,檢驗量子疊加在稍大的物體上能否成立(詳見Nature 2011年的報導)。

他讓大分子通過一個物質波幹涉儀,擺在它面前的有兩條路徑。在經典世界中,分子只會通過一條路徑,而如果分子具有量子特徵,它會同時通過兩條路徑,並且自己與自己發生幹涉,形成特徵性的幹涉條紋。


像酞菁這樣的複雜大分子也能形成量子幹涉條紋

採用類似的儀器也可以檢驗引力能否影響物體的量子行為:在垂直放置的幹涉儀中,引力會造成時間的延遲,從而破壞物體的相干態;而在水平的幹涉儀中,引力不會對物體的狀態施加額外的影響,量子疊加態得以保持。

Arndt已經使用由810個原子組成的分子做了實驗,但他指出,為了測量引力的效應,需要採用比這更大的分子,因為分子越大,分子中各個原子的運動自由度帶來的內能貢獻也就越大。

除此之外,研究者還需要嚴格控制外界環境的影響,以減少其他可能導致退相干的效應,同時把兩條路徑之間的距離從毫米量級增加到米量級,或者把分子質量提高100萬倍。

「顯然,這是極具難度的挑戰。」Arndt說。

如果引力的確限制了地球上的量子行為,對更大物體的量子檢驗最終就得挪到太空中進行了,來自義大利的裡雅斯特大學的物理學家Angelo Bassi說。

「但從更深刻、更本質的角度來看,這也並不是什麼新觀點,」他說,「引力場歸根結底也只是一種會與量子系統相互作用的影響因素,所以就算把實驗放到沒有引力的宇宙空間裡做從而消除了引力的影響,我們也無從得知量子行為是否最終會引向經典實在。」

Pikovski與同事們描述的這一效應中也並未提到所謂的「量子引力」:量子引力(quantum gravity)是把引力與量子力學統一起來的理論,目前是很多理論學家嘗試研究的目標。

Bassi說:「我們所描述的效應只是將量子物理應用到經典廣義相對論上得出的,它並沒有整個改變對世界的描述方式。」

相關焦點

  • 誰殺死了「薛丁格的貓」?引力
    理論物理學家認為,是扭曲的時空造成了量子效應在大尺度物體上的消失。在埃爾溫·薛丁格那個著名的思想實驗中,量子世界裡的貓既是活的又是死的,它處在活與死的疊加態上,但為什麼在日常的宏觀世界中我們看不到這類現象呢?
  • 殺死「薛丁格貓」的,可能並非引力假說
    這是量子理論中最古怪的原則之一:粒子可以同時存在於兩個位置,但我們只能在這裡或那裡看到它。在著名的 「薛丁格貓」 這一思想實驗中,在實驗者打開箱子觀察內部情況之前,實驗者無法確定箱子內的貓究竟是生是死,而貓的這種 「生死疊加態」 則會在實驗者對箱子內部的情況進行觀察後,坍縮為 「生」 或「死」這兩種確定的狀態。
  • 殺死「薛丁格貓」的,可能並非引力假說
    這是量子理論中最古怪的原則之一:粒子可以同時存在於兩個位置,但我們只能在這裡或那裡看到它。在著名的 「薛丁格貓」 這一思想實驗中,在實驗者打開箱子觀察內部情況之前,實驗者無法確定箱子內的貓究竟是生是死,而貓的這種 「生死疊加態」 則會在實驗者對箱子內部的情況進行觀察後,坍縮為 「生」 或「死」這兩種確定的狀態。
  • 薛丁格的貓與新量子力學(2)
    儘管有些激進的物理學家認為同時處於又死又活的狀態也沒什麼大不了的,但薛丁格的貓仍然讓大多數的物理學家感到心煩意亂。一隻又死又活的貓到底是什麼樣?在宏觀領域到底可不可能出現疊加態?為什麼在微觀領域和宏觀領域看上去我們有兩套物理法則?量子力學描述我們只有通過測量才可以使概率變為確定,那麼這種由概率到確定的轉變到底是如何發生的?
  • 什麼是薛丁格的貓?
    歐文·薛丁格是20世紀初的物理學家,對量子理論方面有很大的貢獻,並在1933年被授予諾貝爾物理學獎。相信物理系的朋友對他不會陌生,薛丁格方程會貫穿整個量子力學課程學習。不過,他最著名的還是是「薛丁格的貓」,這是他為了反對哥本哈根學派關于波函數的觀點而用一隻貓做的思想實驗,但後來,被廣泛應用於形象描述宏觀和微觀物理體系的不同之處。
  • 薛丁格的貓:科學界最出名的貓,憑一貓之力解釋量子力學!
    今天我們來聊一聊薛丁格的貓。(文章最後有我個人對文章重點的總結,趕時間的話可以直接跳到最後面看總結。)薛丁格的貓可謂是科學界最出名的貓了,因為它憑藉一貓之力,靠著自己的生死為大家解釋了讓人迷惑的量子力學。我們先來說一說到底什麼是薛丁格的貓,它是如何為我們解釋量子力學的。
  • 尋找薛丁格的貓:量子物理的奇異世界
    薛丁格這隻離奇的、著名的「貓」從何而來? 探索科學離奇的佯謬, 感受物理學裡迷人的量子世界。量子力學入門必備 科學又有趣的量子物理發展史      這只不死不活的貓總是像噩夢一樣讓物理學家們不得安寧……     全面論述了量子理論的基本概念,並賦予那些無限複雜又傷腦筋的實驗以生機,使我們可以毫不費力地把握現代量子力學之迷。
  • 深入淺出講解薛丁格的貓
    薛丁格的貓,涉及到了量子力學派系之爭。現有量子力學理論並非最終的真理,它只是接近真理而已,上帝不會擲骰子決定宇宙運行,量子力學還不完善。另外一派系則是波爾、海森堡等科學家,他們則認為量子力學已經完美解釋了微觀世界的運動規律,在量子世界,一切都是不確定的,只能夠用波函數描述,而波函數的意義就是粒子運動狀態的概率統計而已。
  • 量子力學、薛丁格的貓與平行宇宙
          【關鍵詞】平行宇宙;量子力學;薛丁格的貓實驗        平行宇宙相信很多人並不陌生。人們普遍認為,它是較相對論和量子力學更為怪誕的理論。儘管這一理論充滿離奇甚至荒唐,然而多數人們還是樂於接受。我們究竟應該如何看待這一理論,本人有不同的看法。
  • 薛丁格的貓為什麼恐怖 薛丁格的貓是什麼實驗
    薛丁格通過量子力學來向世界證明了,人類在某一個空間,即使生又是死,如果按照這個實驗結論以此類推的話,就決定了我們人類未來會走向哪一個平行世界。量子力學是一種非常奇妙的力量,它可以決定人類的走向,物理學的走向。  一、薛丁格的貓是什麼實驗
  • 「豈有此理·物理卷」薛丁格的貓!
    「薛丁格的貓」是奧地利物理學家薛丁格提出的關於量子力學的一個著名思想實驗,也就是說在現實世界裡不存在這樣的實驗。根據量子力學,微觀粒子總是處於多種狀態的疊加態①。薛丁格設想了一個實驗,將微觀的不太直觀的疊加態衍生為宏觀可理解的疊加態。實驗思想簡單說就是:假設在一個密閉盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。該物質有50%的概率會衰變並放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率不會衰變而貓將活下來。當人們打開盒子觀測時,會發現要麼貓活著,要麼貓被毒死了。
  • 薛丁格小傳:貓比人還出名的鬼才科學家,量子力學的奠基人之一
    (萬象歷史特約作者:凌空子)薛丁格小傳:貓比人還出名的鬼才科學家,量子力學的奠基人之一1887年8月12日,薛丁格出生在奧地利維也納的一個富裕家庭。他是獨子,家裡人都很寵愛他。當時的物理學界,信奉的是牛頓經典力學,對微觀世界的探秘研究甚少。而量子革命逐漸在普朗克、愛因斯坦、玻爾的理論激辯中,慢慢揭開了神秘的面紗。1926年1月(39歲),薛丁格在《物理年鑑》發表文章《以特徵值問題處理量子化理論》,來處理波動力學,並引入了現在稱之為的薛丁格方程。
  • 薛丁格的貓——既死又活的貓
    量子力學是描寫微觀物質的一種物理學理論,與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。當時的科學家為了解決當時不能用經典物理學解決的四大問題,所以創立了量子力學,1900年被譽為量子年,當時引用了量子力學去解決了四大問題。氫原子光譜、黑體輻射、光電效應和原子穩定性問題的解釋都引用了普朗克的量子論,普朗克被譽為量子力學之父。
  • 薛丁格的女朋友為什麼不如薛丁格的貓有名?
    important}進入資訊時代後,量子力學與人類的生活聯繫越來越密切,沒有學過《量子力學》課程的人也能經常聽到量子糾纏、薛丁格的貓等與量子力學相關的概念。提到薛丁格的貓就要提到薛丁格這位物理學家,他給出了薛丁格方程,這個方程在量子力學中的地位足以和牛頓第二定律在力學中的地位相媲美。
  • 薛丁格的女朋友為什麼不如薛丁格的貓有名?
    進入資訊時代後,量子力學與人類的生活聯繫越來越密切,沒有學過《量子力學》課程的人也能經常聽到量子糾纏、薛丁格的貓等與量子力學相關的概念。提到薛丁格的貓就要提到薛丁格這位物理學家,他給出了薛丁格方程,這個方程在量子力學中的地位足以和牛頓第二定律在力學中的地位相媲美。
  • 薛丁格方程及薛丁格的貓
    薛丁格方程解釋了許多已經觀測到的量子現象,並引入了量子波是概率波的奇異解釋。埃爾溫·薛丁格對科學最重大的貢獻當屬薛丁格方程,即決定亞原子粒子運動的波動方程。薛丁格方程是現代量子力學的一大根基。薛丁格1887年出生於維也納,早年興趣非常廣泛,但最終被維也納大學錄取,學習物理學,並於1910年畢業。此後,薛丁格為奧地利物理學家弗朗茨·埃克斯納( Franz Exner)工作了一段時間。
  • Google今日Logo:薛丁格的貓
    Google今天的首頁是奇怪的方程式和貓咪,你知道這是紀念誰的嗎?如果你對物理稍有涉獵,應該能猜到。是的,今天的Google首頁塗鴉就是為了紀念理論物理學家、量子力學先驅薛丁格126周年誕辰。就算是你對物理學毫不感興趣,相信你也聽說過薛丁格的貓。
  • 你也可以看懂,量子力學的困惑,測不準原理 薛丁格的貓 !
    量子力學已經是現代物理學的基礎學科之一,其影響力越來越大!巨大的影響力迫使著人們了解它,可量子世界中的種種奇異現象卻挑戰著常人的邏輯底線。甚至 讓許多物理愛好者也摸不著頭腦, 以至於玻爾(量子物理學家)說到「如果一個人第一次聽到量子物理而不感到困惑,那他一定是沒有聽懂」!薛丁格薛丁格的貓 只是幫助人們理解量子世界 的一種思想實驗!
  • 薛丁格的貓
    原題設計者把它叫薛丁格的貓。下面這一段是從百度上摘下來的介紹(註:本來不想加這段,但公眾號規定文章必須夠300字才可以發,所以摘一段貓的介紹。已經知道這個概念的可以跳過這段,沒有新內容。沒有聽說過這個概念的人,如果讀了這段,而且搞懂了,或許這是你今天上網的最大收穫)。
  • 明星大偵探薛丁格的貓是什麼意思 薛丁格的貓誰提出來的
    明星大偵探薛丁格的貓是什麼意思 薛丁格的貓誰提出來的時間:2018-01-19 23:06   來源:今日頭條   責任編輯:毛青青 川北在線核心提示:原標題:明星大偵探薛丁格的貓是什麼意思 薛丁格的貓誰提出來的 《明星大偵探》第三季最後一期節目中,撒老師提出薛丁格的貓的想法和白白提出的楚門世界的想法真的腦洞大開