PDF《量子十问之四》

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1 期图1 薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实 验示意图 凡是学习《量子力学》的学 生,都必须学会求解薛定谔方程, 人类一百多年来也一直在求解各种 各样的薛定谔方程,并开发出激 光、半导体、核能等新技术,造福 人类近一个世纪.

薛定谔正是因为 在创建量子力学时所作的巨大贡献 荣获了诺贝尔物理学奖.但其后来 如同爱因斯坦一样,对量子力学有 诸多质疑,1935 年他发表了著名的 薛定谔猫佯谬,质问客观世界是否 存在可以区分的量子态的叠加. 如图

1 所示,小盒子装有放射 性源,设其半衰期为一个小时,即 一小时后有一半概率放射出一个粒 子,根据量子力学叠加原理,一小 时后空间将处于有一个粒子(记为

1 ),和没粒子(记为

0 )的叠加态: ψ =

1 2 ( )

0 +

1 .如果有粒子,盒 子的机关会被打开,于是铁锤就会 掉落下去,打破装有毒气的瓶子, 此时毒气会将密封于笼子里的猫毒 死,当然如果小盒子未放出粒子, 这只猫仍然会活着.那么,一个小 时后,这只猫究竟是活的还是死 的?按照量子态叠加原理推演下 来,猫也应当处在一半概率是活, 一半概率是死的叠加态上,这只半 死半活的猫就是历史上著名的 薛 定谔猫 .尽管它已有八十多岁,迄 今依然是人们津津乐道的话题. 薛定谔提出这个佯谬本意是想 问,宏观世界是否存在与微观世界 一样可区分态的叠加态?现实世界 为何只看到要么死,要么活的猫, 从未看到这只半死半活的猫?可见 这里的关键词是 死 和 活 这 两种可区分状态, 猫 只是用于形 象地表征这个物理命题而已,采用 猫呀狗呀都一样. 兴许猫恰好是薛定谔本人的宠 物,他便拿它来说事,或许薛定谔 讨厌猫,故意使它处在半死半活的 难堪状态上处罚它,但无论怎样, 他不经意地就让这只猫扬名天下! 所以不要太在意 猫 ,只关注 死 活 . 谈到宏观可区分的量子态,人 们自然会想到《量子光学》里的相 干态 α .相干态是最接近于经典的 量子态,理想的激光就是相干态, 而且当其平均光子数很大时,相干 态的量子效应便可忽略不计,可被 视为经典电磁波.因此在寻找 薛 定谔猫 制备的方案,人们多数采 用相位差为 π 的两 个相干态的叠加作 为 猫态 的候选 者.这类方案已被 实验所验证,最先 是在原子尺度上制 备这类 猫态 ,其后又在宏观尺度 上也制备成功.因此 薛定谔猫 确 实如量子力学所预言的那样,在宏 观世界里是存在的. 薛定谔猫 可以生存,但是在 现实世界中我们却观察不到这种叠 加态,只能观察到确定的状态―― 猫 要么死,要么活,仅有一种状 态.这就是所谓的宏观实在性,即 自然客体的宏观可区分状态总是确 定的. 以玻尔为首的哥本哈根学派做 了如下传统的诠释:我们只能通过 测量才能确知 猫 处在什么状 态,而测量会破坏被测的量子态, 其结果是 活猫 和 死猫 的叠 加态会塌缩到它们两者之一的确定 态.换句话讲,现实自然界的宏观 实在性是人类对量子客体测量引起 的所谓 波包塌缩 所造成的. 玻尔认为,只有测量之后看到 的才是真实存在的,测量之前的量 子世界是虚拟的,不真实的.正是 测量决定了薛定谔猫是死还是活的 命运. 测量 究竟发生了什么?迄 量子十问之四 薛定谔猫 为什么会自然死亡? 郭光灿? (中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室 合肥 230026) 2018-09-12收到 ? email: [email protected] DOI: 10.7693/wl20190106 量子十问 ・ ・

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1 期 今人们还远未搞清楚! 如果自然界的宏观实在客体果 真如玻尔所言是人类实施测量所造 成的后果,那就意味着 人类 诞 生在自然界之先,这怎么可能呢? 人类只不过是自然界演化中在特殊 时间和特殊空间中的特定产物而 已,玻尔的诠释显然本末倒置.此外,任何客观实在客体都是由分 子、原子、电子等微观粒子构成 的,那么虚拟、不真实的微观世界 怎么构造出真实的宏观世界呢?哥 本哈根学派也无法自圆其说! 宏观世界存在的 薛定谔猫 是人们在实验室里采用特殊方法制 备出来的,这种人造的 薛定谔 猫 寿命不长,环境的消相干效应 会最终使它因量子相干性消失而自 动衰变为经典的猫,即要么死要么 活的确定状态. 消相干 会杀死 薛定谔猫,这是否表明,宏观实在 性就是环境的消相干造成的?不 完全对! 所有人为制备的量子系统都会 饱受环境的消相干效应的破坏,如 不采取有效的措施抵制这种消相干 的影响,这些量子系统最后都会演 化成经典系统.那么自然界是否存 在有环境消相干效应无 法摧毁的量子系统呢? 确实有.我们知道,任何宏观客体都是由分子、原子、电子等微观 粒子构成的,这些遵从 量子力学规律的微观粒 子是真实的,绝不是如 哥本哈根学派所说的那 样是虚拟的.宏观客体 中的这些微观粒子组份 是量子系统,它们在环 境中依然保持着量子特性,并不会 因消相干被破坏掉,原因何在?其 根源在于这些微观量子系统中存在 着很强的内在相互作用,粒子之间 的强耦合远远大于环境的消相干作 用(即退耦合作用),因此微观量子 系统的量子性能够牢固地保持住. 人造的量子系统会死亡,而自 然生成的量子系统却能永存.这就 是自然界本来的状况.宏观客体遵 从经典理论,具有宏观实在性,其 结构单元却是量子客体,遵从量子 理论,两者和谐地融合为自然客 体.人们迄今已成功建立经典理论 和量子理论,能分别正确地描述经 典世界和量子世界,但还无法完整 地描述自然世界(量子力学与相对论 并不融合),原因在于我们还没有研 究清楚量子世界与经典世界之间的 界限,究竟是什么物理机制使得量 子世界能自动地演化为经典世界. 如何判断一个物理客体是经典 的还是量子的?2003 年诺贝尔物理 学奖获得者 Anthony Leggett 教授与 合作者 Anupam Garg 教授为此提出 所谓 Leggett―Garg 不等式 (下称LG 不等式).凡是满足此不等式 的物理客体属于经典世界,具有处 于确定状态的宏观实在性;

若违背 LG不等式,则属于量子世界,遵从 量子态叠加原理. 为研究这个问题,我们可以借 用 薛定谔猫 来帮忙.首先采用 量子光学相干态人为地制造出一只 薛定谔猫 ,并采取措施保护这只 猫 不被环境消相干杀死.当然,在实验上可以运用 LG 不等式 来识别这只 猫 确实是 量子 的(即实验结果若违背 LG 不等式, 就证实它是量子叠加态).然后,在 实验上设法使 猫 逐渐胖起来(即 增大相干态的平均光子数),一直胖 到LG 不等式不再被违背,这时 薛定谔猫 便死掉了,变为经典 猫,它处在死或活的确定状态上. 这便找到了经典与量子的界限.特 别要强调,实验中 薛定谔猫 之死,既不是环境的他杀,也不是测 量引起波包塌缩导致,而是 猫 变胖后的自然死亡. 当然,我们还需要设计更多的 这类使 薛定谔猫 自然死亡的实 验,最终从实验上搞清量子世界自 发演化到经典世界究竟有哪些机 制.一个可能采取的实验方案是, 采用质量很小的客体来制备 薛定 谔猫 ,然后逐渐增大质量,直至 猫自然死亡为止.从而确认质量、 引力是否是量子过渡到经典的机 制.一旦能在实验上搞清楚 量子 ―经典 过渡的机制,就可以在薛 定谔方程中加上体现这个机制的相 互作用项,从而可能将量子理论与 经典理论融合起来.因此,研究 薛定谔猫 为什么会自然死亡成 为探索量子世界奥秘的重要抓手 之一. 图2 薛定谔猫(图片来源于网络) ・ ・ 38 ........