這個實驗將告訴我們:人類能不能處於量子疊加態

2020-10-19 煎蛋

「我到底是什麼?」

你是祭祀品。

「為什麼人可以安定地生活?」

因為波函數可以坍縮。

「折磨我的是什麼?」

是無法抗拒的命運。

「為什麼人不能捨棄希望?」

因為波函數可以發散。

「你是誰?」

我是手兒奈。

——小林泰三《醉步男》

量子力學支配著微觀世界。

我們都知道,電子可以以概率波的形式,同時存在於不同的地方,直到我們嘗試去觀測它——電子的位置才會坍縮成確定的結果。

雖然理論上,宏觀物體也有波函數,但是,似乎宏觀物體的波函數總是處於「凝結」的狀態,亦即它們是確定的、「結實的」實體。因為我們從未觀察到宏觀物體展現出的量子特性,所以量子力學的某幾位開創者懷疑,在宏觀和微觀世界之間,存在一條界限:兩邊的世界遵循不同的規則。

但是,著名的薛丁格意識到,原本只局限於原子領域的不明確性可被以一種巧妙的機制變為宏觀不明確性。他為此提出了一個思想實驗:薛丁格的貓。

把一隻貓關在一個封閉的鐵容器裡面,並且裝置以下儀器(注意必須確保這儀器不被容器中的貓直接幹擾):在一臺蓋革計數器內置入極少量放射性物質,在一小時內,這個放射性物質至少有一個原子衰變的概率為50%,它沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%;假若衰變事件發生了,則蓋革計數管會放電,通過繼電器啟動一個榔頭,榔頭會打破裝有氰化氫的燒瓶。經過一小時以後,假若沒有發生衰變事件,則貓仍舊存活;否則發生衰變,這套機構被觸發,氰化氫揮發,導致貓隨即死亡。用以描述整個事件的波函數竟然表達出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態。

貓咪即死又活的狀態,迫使物理學家去思考,宏觀世界也必須遵從量子的不確定性嗎?如果真是如此,為什麼我們從來未曾觀察到呢?

本周發表在Optica上的一篇論文中,有學者設計了一項實驗,似乎可以一勞永逸地回答這一棘手的問題。

如果有種機制可以消除大型物體量子疊加的可能性,那麼它將需要以某種方式「幹擾」波函數——並產生熱量

也就是說,你面前的辦公桌,在無人使用的時候沒有變成波函數彌散到空間之中,是因為始終存在某種機制使其一直坍縮。相應地,應該會在空間中產生額外的,無法被歸入常規解釋的熱量。

如果探測到了這種額外的熱,則意味著宏觀物體真的不能處於量子疊加態。如果排除了額外熱的可能性,那麼大自然或許就不介意任何大小的實體「量子化」——比如說人類本身也能處於量子態。

如果是後者,那麼藉助先進的技術,我們可以將大物體,甚至有意識的物體置於量子態。

物理學家不知道阻止宏觀事物量子疊加的機制是什麼鬼樣子。有人說,這是一個未知的領域。其他人則懷疑與重力有關。

今年的諾貝爾物理學獎得主羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)認為,可能是生物意識的結果。

過去10年裡,物理學家一直在熱切地尋找痕量熱跡——表明波動函數受到幹擾。

為了找出答案,我們需要一種能夠抑制(儘可能完美)所有其他熱量的源,這些熱量相當於噪音。

我們還必須遏制一種被稱為量子「反作用」的效果,其中觀察行為本身就會產生熱量。

與以前的實驗一樣,這裡需要一臺超級冰箱,製造出僅比絕對零度高0.01開爾文的低溫。同時,昆士蘭大學的團隊推薦使用比一般實驗裡頻率高得多的諧振器,用於消除冰箱本身產生的熱量。

由於極低溫度和極高頻率的組合,諧振器中的振動經歷了被稱為「玻色凝聚」的過程。

您可以把那想像成——空間靜止,冰箱中的熱量甚至都無法傳遞,而是聚成團。

科研人員還將使用不同的策略——完全不考慮諧振器的振動,而是考慮其能量。該方法可強烈抑制反作用製造出的熱。

然後把單個光粒子射入諧振器,來回反彈數百萬次,吸收多餘的能量。它們最終帶走多餘的能量離開諧振器。

通過測量被回收的輕粒子的能量,我們可以確定諧振器中是否還有熱量。

如果存在熱量,則表明未知源幹擾了波函數。這意味著疊加態不可能體現在宏觀物體中。

這一實驗具有挑戰性,可能還需要數年的發展,數百萬美元和一大堆熟練的實驗物理學家。

但是,它可以回答有關我們現實的最引人入勝的問題之一:一切都是量子的嗎?因此,我們當然認為付出是值得的。

https://www.sciencealert.com/could-schroedinger-s-cat-exist-in-real-life

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