微觀與宏觀的界限(2)

微觀與宏觀的界限（2）

2013-08-14 11:05 作者：苗千來源：三聯生活周刊 2013年第32期

根據物理學目前的理論，退相干過程正是微觀世界向宏觀世界轉換的過程，這個過程涉及到量子信息向周圍環境的擴散。退相干理論從20世紀80年代發展起來，成為物理學研究的熱點問題一直至今。但是，關於微觀世界與宏觀世界的界限問題，還遠沒有定論，科學家們使越來越多的「宏觀物體」顯示出了量子態，而量子世界的本質卻還沒有顯現出來。

物理學家埃爾文·薛丁格

可是宏觀世界中物質的「經典」性質，並不是物質先驗的，最基本的性質，也是由量子態轉化而來的。只有當量子態與周圍的環境發生「糾纏」，這個「子系統」的量子信息「洩露」到了周圍的環境中，才使微觀系統顯現出它在宏觀世界的性質，這個過程，就被稱為「退相干」過程。從熱力學的角度講，這個「子系統」的熵值增大了。

雖然整個宇宙可能開始於一次量子現象，但是很明顯的是，我們現在所居住的宇宙呈現的是「經典」的宏觀狀態，只有在極微小的尺度下才會顯示出量子現象。量子世界與宏觀世界的表現截然不同，其中最大的區別大概就在於量子「疊加態」，也就是說，一個微觀粒子可能因為「疊加態」同時存在於幾個位置，而這種狀態在宏觀世界中卻從來沒有出現過。究竟是什麼使整個宇宙沒有呈現出量子態？可能正是因為無所不在的連續的退相干過程，才使我們的宏觀世界沒有出現量子態，這也正是微觀世界與宏觀世界之間的界限。

如何理解這個在微觀世界和宏觀世界之間的界限？它們之間的界限到底在哪裡？關於這個問題，2013年7月12日，美國達特茅斯學院的物理學家邁爾斯·布倫科（Miles Blencowe）在《物理評論快報》（PRL）雜誌上發表論文《關於引力引發的退相干的等效場論》（Effective Field Theory Approach to Gravitationally Induced Decoherence）。布倫科認為，正是在宇宙大爆炸時形成的「宇宙背景引力波」，幹擾了宇宙中的宏觀事物，使它們沒有出現量子疊加態。瀰漫宇宙的背景引力波和宇宙微波背景輻射有相似之處，只是宇宙背景引力波的溫度更低，略低於1開爾文（宇宙微波背景輻射的溫度大約為4.3開爾文）。布倫科認為，正是這種瀰漫在宇宙中無所不在的背景引力波，這種時空的微小褶皺，足以幹擾到一定質能的物質的疊加態，使之只呈現出遵守物理學經典理論的性質。

微觀與宏觀世界的界限是否由宇宙背景引力波來劃分，一個宏觀的物體是否不會出現量子態？薛丁格的那隻假想中同時處於「生」與「死」之中的貓到底有沒有可能存在？始終有物理學家試圖用各種方法真正實現「薛丁格的貓」實驗，而這也正是檢驗微觀世界與宏觀世界分界線的最好方式。

「薛丁格的貓」假想實驗之所以令物理學家陷入困惑，是因為薛丁格把一個微觀世界的量子疊加態和宏觀世界中的一隻貓的生和死兩種狀態連接到了一起。一個處於量子疊加態的放射性原子，並沒有與外部環境發生相互作用。而一隻貓則不同，一隻貓是由數量巨大的粒子組成的宏觀生物，它不停地和外界環境發生相互作用。即使把一隻貓裝在一個封閉的盒子裡，在理論上，人們仍然可以通過研究這隻貓與外界環境相互作用產生的影響而斷定貓的狀態，這種連續的退相干過程保證貓始終處於宏觀狀態，而絕對不會出現「半死不活」的量子疊加態。

那麼，一個微觀系統究竟在多大程度上能夠與一個宏觀系統發生糾纏？最近有兩組科學家在最大程度上模擬了「薛丁格的貓」實驗。2013年7月23日，在莫斯科舉辦的第二屆量子技術國際會議（Second International Conference on Quantum Technologies）上，一組來自加拿大、俄羅斯和伊朗的科學家繼續探索著「微觀和宏觀世界的界限究竟在哪裡」這個話題。他們通過模仿「薛丁格的貓」實驗，使得人們此前從來沒有想像過的「宏觀」事物產生了量子現象。

在此之前，已經有過使「宏觀」物體相互糾纏的實驗。在來自加拿大卡爾加裡大學的物理學家亞歷山大·勞弗斯基（Alexander Lvovsky）和他的同事們進行的實驗中，他們通過一個半透明的鏡子使一個光子達到量子態——其中一個狀態是這個光子通過了鏡子，另一個狀態是光子被鏡子反射，而且他們使得光子的這兩種狀態相互糾纏。接下來，這組科學家通過雷射使光子的其中一種狀態被放大。這樣，這種狀態就被放大到了數以億計的光子的範圍——在理論上，這已經足夠被人用眼睛直接看到，雖然實驗中光的頻率並不在可見光的範圍之內。

也就是說，在這個真正的實驗中，一個光子的量子態成功地和數以億計的光子形成了糾纏狀態（而且這種狀態有可能被人眼直接看到），可以說，這個實驗在最大程度上模擬了「薛丁格的貓」假想實驗。這組科學家聲稱，這是人類第一次實現一個微觀物體和宏觀物體（數以億計的光子）形成糾纏狀態。勞弗斯基和他的同事們論述這個實驗的論文《對於微觀－宏觀光線糾纏態的觀察》（Observation of micro-macro Entanglement of Light）在2013年7月21日發表在《自然·物理學》雜誌上。而在同時，另一組來自瑞士日內瓦大學的科學家也實現了類似的實驗。儘管數以億計的光子尚且不能和一隻真實的貓相提並論，但是，這個數量級，也許算得上是「一隻小貓咪」——來自美國麻省理工學院的物理學家塞思·勞埃德（Seth Lloyd）這樣評價道。

根據物理學目前的理論，退相干過程正是微觀世界向宏觀世界轉換的過程，這個過程涉及到量子信息向周圍環境的擴散。退相干理論從20世紀80年代發展起來，成為物理學研究的熱點問題一直至今。但是，關於微觀世界與宏觀世界的界限問題，還遠沒有定論，科學家們使越來越多的「宏觀物體」顯示出了量子態，而量子世界的本質卻還沒有顯現出來。

（本文參考了《新科學家》、《物理評論快報》和《自然》等雜誌的相關報導）

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