誰殺死了「薛丁格的貓」?引力

2021-01-15 快科技

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。」

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  • 一口氣搞懂「薛丁格的貓」
    薛丁格的貓20世紀初,物理學上空有兩朵烏雲,一朵是「以太」,另一朵是「黑體輻射」。前者引出了相對論,後者則催生了量子力學。而在量子力學這支,幾乎是經歷了三代科學家的共同努力才得以建立。第一代是普朗克、愛因斯坦;第二代是波爾、波恩、索末菲。第三代則是海森堡、薛丁格、狄拉克。
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    薛丁格是個聰明的人,他沒有任何理由去殺死一隻貓。儘管這只是一個假想實驗,薛丁格依然受到了那些愛貓人士和部分略顯尖銳的科學家的猛烈抨擊,看看邁克·雅各布森(Mike Jacobsen)設計的一款意為「薛丁格的賭注」的T恤,諷刺意味讓人一目了然。
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    "薛丁格的貓"不是一個真正的實驗,因此沒有科學證明任何東西。薛丁格的貓甚至不是任何科學理論的一部分。薛丁格的貓只是一種教學工具,薛丁格用該教學工具來說明有些人是如何曲解量子理論的。薛丁格用貓構建了他的假想實驗,以證明對量子理論的簡單曲解會導致與現實世界不符的荒謬結果。