萬物皆量子嗎

你有沒有過在同一時(shí)間身處多個(gè)地方的經(jīng)歷？如果你的尺寸比一個(gè)原子要大得多，那答案一定是否定的。但粒子則不同，它們由量子力學(xué)定律支配。根據(jù)量子力學(xué)，幾種不同的可能情況可以同時(shí)共存。

量子系統(tǒng)受到波函數(shù)的控制，這種函數(shù)是一種數(shù)學(xué)對(duì)象，描述了這些不同的可能情況的概率。在波函數(shù)中這些不同的可能性的共存，被稱為不同的態(tài)的疊加。比如，當(dāng)一個(gè)粒子同時(shí)存在于幾個(gè)不同的地方時(shí)，我們稱之為空間疊加。只有在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，波函數(shù)才會(huì)坍縮，使系統(tǒng)最終處于一種確定的態(tài)。

一般來說，量子力學(xué)適用于原子級(jí)的微觀粒子世界。它對(duì)于大尺度物體意味著什么仍無定論。在近日發(fā)表于《光學(xué)設(shè)計(jì)》的一項(xiàng)研究中，研究人員提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，有望徹底解決這個(gè)棘手的問題。

20世紀(jì)30年代，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出了一個(gè)著名的思考實(shí)驗(yàn)——盒子里的一只貓。根據(jù)量子力學(xué)的理論，薛定諤的貓可以既是活的，又是死的。

在薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)中，一只貓被放在一個(gè)密封的盒子里，這個(gè)盒子里有一個(gè)存在一半幾率會(huì)殺死貓的隨機(jī)量子事件。盒子里的這只貓既是死的又是活的，直到盒子被打開并被觀察到。換句話說，在被觀察到之前，貓是以（有多種可能性的）波函數(shù)的形式存在的。當(dāng)它被觀察到時(shí)，它才變成了一個(gè)確定的對(duì)象。

經(jīng)過許多的爭(zhēng)論之后，當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)哥本哈根詮釋達(dá)成了共識(shí)。這基本上說的是，量子力學(xué)只能應(yīng)用于原子和分子尺度，而無法描述更大的物體。

但在過去的二十年間，物理學(xué)家已經(jīng)在大到肉眼可見的、由數(shù)萬億個(gè)原子組成的物體中創(chuàng)造出了量子態(tài)。不過，空間疊加卻遲遲沒有納入其列。

但是，波函數(shù)是如何成為一個(gè)“真實(shí)”的物體的？這就是物理學(xué)家所說的“量子測(cè)量問題”。近一個(gè)世紀(jì)以來，它一直讓科學(xué)家甚至哲學(xué)家困擾。

如果有一種機(jī)制能消除大尺度物體的量子疊加的可能性，那么波函數(shù)就會(huì)受到某種方式的“擾動(dòng)”，從而產(chǎn)生熱。如果能發(fā)現(xiàn)這種熱，就意味著大尺度的量子疊加是不可能的。如果能排除這種熱，那么就意味著自然可能并不介意在任何尺度上的“量子化”。假如是后者，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們應(yīng)當(dāng)可以讓大型的物體，甚至是有感知的生物，處于量子態(tài)中。

量子疊加中諧振器的示意圖。紅色的波代表波函數(shù)。| 圖片來源：Christopher Baker

物理學(xué)家并不知道阻止了大尺度的量子疊加的機(jī)制是什么樣的。一些科學(xué)家表示，這可能是一個(gè)未知的宇宙學(xué)領(lǐng)域，還有人則懷疑引力可能與此有關(guān)。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）曾認(rèn)為，生物意識(shí)或許與此密不可分。

在過去十?dāng)?shù)年間，物理學(xué)家一直在熱切地尋找能表明波函數(shù)受到了擾動(dòng)的微量的熱。想要找到這種熱，人們需要一種能夠（盡可能完全）抑制其他所有過剩熱源的方法，因?yàn)槟切嵩纯赡軙?huì)妨礙精確測(cè)量?？茖W(xué)家還需要控制一種被稱為量子“反作用”的效應(yīng)，也就是由觀察這一舉動(dòng)本身所產(chǎn)生的熱。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，有望揭示空間疊加在大尺度物體上的可能性。迄今為止最好的實(shí)驗(yàn)都還沒有完成這個(gè)目標(biāo)。

和先前的實(shí)驗(yàn)一樣，新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)將需要用到一個(gè)被冷卻到只比絕對(duì)零度高0.01開爾文的制冷器，但它將要使用比之前頻率更高的諧振器，這樣可以消除制冷器本身的熱量問題。

在這種極低溫度和極高頻率的結(jié)合下，諧振器中的振動(dòng)會(huì)經(jīng)歷玻色凝聚過程。你可以將其簡(jiǎn)單想象成諧振器被凍得非常牢固，以至于制冷器里的熱完全無法左右它。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)還會(huì)使用到一種不同的測(cè)量策略，它并不關(guān)注諧振器的運(yùn)動(dòng)，而是看它有多少能量。這種方法也能很好地抑制反作用的熱。

那么實(shí)驗(yàn)要如何進(jìn)行呢？研究人員計(jì)劃讓單光子進(jìn)入諧振器，并來回反彈數(shù)百萬次，將所有剩余的能量都吸收。這些粒子最終會(huì)離開諧振器并帶走多余的能量。通過測(cè)量光子的能量，研究人員就可以確定諧振器中是否存在熱量。

如果存在熱量，就表明波函數(shù)已經(jīng)受到了某種（不受研究人員控制的）未知來源的干擾。這就意味著，大尺度的疊加不可能發(fā)生。

新研究提出的實(shí)驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性。用論文作者的話說，“這不是那種你可以在周日下午就隨便安排好的事情”。它可能需要數(shù)年時(shí)間的發(fā)展、數(shù)百萬美元的經(jīng)費(fèi)，以及一群有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

盡管如此，它可以回答關(guān)于我們的現(xiàn)實(shí)的一個(gè)最有趣的問題：萬物皆量子嗎？

撰文：Stefan Forstner（昆士蘭大學(xué)博士后研究員） 原文標(biāo)題為“Could Schr?dinger’s cat exist in real life? Our research may soon provide the answer”，于2020年10月14日首發(fā)于The Conversation。 原文鏈接：https://theconversation.com/could-schrodingers-cat-exist-in-real-life-our-research-may-soon-provide-the-answer-147752，文章基于CC協(xié)議翻譯，中文內(nèi)容略有編輯，僅供參考，一切內(nèi)容以原文為準(zhǔn)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：萬物皆量子？

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