薛定谔的胖猫:当微观与宏观的边界消散

作者: 一二三

来源: 返朴

发布日期: 2023-05-23 12:44:09

本文探讨了如何通过实现宏观量子叠加态来理解微观世界与宏观世界的边界,介绍了薛定谔的猫这一思想实验的现实化尝试,以及在宏观尺度观察量子叠加的挑战和理论争议。

将薛定谔的猫这一著名的思想实现变为现实,实现宏观的量子叠加态,可以让我们更深刻地理解微观世界与宏观世界的边界。量子叠加、纠缠等超越日常生活经验的量子特性已在微观世界得到反复的实验确认,在加深人们对自然规律理解的同时,也已成为量子信息技术的基础。然而为何这些现象难以在宏观世界观测?

1935年薛定谔提出的“薛定谔的猫”——一只同时处于“死”与“活”的“量子猫“,很好地反映了将量子特性推广至宏观物体时可能带来的困惑。现实中当然没有既死又活的猫,那么宏观物质怎样体现量子性质?有些人会说量子力学不适用于宏观物质,那么宏观世界与微观世界的边界又在哪?弄清这些问题的途径之一是:着手去造一个处于量子叠加态的宏观物体。

事实上,物理学家早已成功制备出相对宏观物质的叠加态,实现传统思想实验的薛定谔猫态,需要一个经典属性与和一个微观属性纠缠。实验思路大致如下,将两个微观量子特性,例如两个原子能级、两个自旋指向(记为上、下)等,作为薛定谔猫思想实验中的衰变、未衰变原子;将两个不同的宏观特性,例如物体运动的两种不同模式(记为a,b),作为猫的死、活;通过耦合两种特性,可以实现如下演化:当微观为上(下)时,宏观为a(b)。

在宏观尺度观察到量子叠加,不仅在实验上难以实现,在理论上同样是具有争议的话题。目前主流观点认为,宏观物体与环境有更多耦合,由此带来的退相干效应使得宏观叠加态难以维持。也有观点认为,标准量子力学只是一个更一般深刻理论的近似,在宏观尺度下不再适用,而宏观叠加态将会被迹动力学(Trace dynamics)或引力坍缩等假想效应破坏。至少目前,学界认为把薛定谔的猫“做大做胖”有助于探索这些未知领域。

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