量子十问之四:“薛定谔猫”为什么会自然死亡?

作者: 郭光灿

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2019-01-25 13:10:56

本文讨论了薛定谔猫佯谬及其在量子力学中的意义,探讨了宏观世界是否存在量子态叠加的问题,以及如何通过实验验证和理解这一现象。

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。

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。

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。

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。

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,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。

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