量子十問之四：“薛定諤貓”為什么會(huì)自然死亡？

凡是學(xué)習(xí)《量子力學(xué)》的學(xué)生，都必須學(xué)會(huì)求解薛定諤方程，人類一百多年來(lái)也一直在求解各種各樣的薛定諤方程，并開發(fā)出激光、半導(dǎo)體、核能等新技術(shù)，造福人類近一個(gè)世紀(jì)。薛定諤正是因?yàn)樵趧?chuàng)建量子力學(xué)時(shí)所作的巨大貢獻(xiàn)榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但薛定諤本人后來(lái)如同愛因斯坦一樣，對(duì)量子力學(xué)有諸多質(zhì)疑，1935年他發(fā)表了著名的薛定諤貓佯謬，質(zhì)問客觀世界是否存在可以區(qū)分的量子態(tài)的疊加。

　　小盒子裝有放射性源，設(shè)其半衰期為一個(gè)小時(shí)，即一小時(shí)后有一半概率放射出一個(gè)粒子，根據(jù)量子力學(xué)疊加原理，一小時(shí)后空間將處于有一個(gè)粒子（記為|1?），和沒粒子（記為|0?）的疊加態(tài)|ψ?=12√(|0?+|1?)。

　　如果有粒子，盒子的機(jī)關(guān)會(huì)被打開，于是鐵錘就會(huì)掉落下去，打破裝有毒氣的瓶子，此時(shí)毒氣會(huì)將密封于籠子里的貓毒死，當(dāng)然如果小盒子未放出粒子，那么這只貓仍然活著。那么，一個(gè)小時(shí)后，這只貓究竟是活的還是死的？按照量子態(tài)疊加原理推演下來(lái)，貓也應(yīng)當(dāng)處在一半概率是活，一半概率是死的疊加態(tài)上，這只半死半活的貓就是歷史上著名的“薛定諤貓”。盡管它已有八十多歲，迄今依然是人們津津樂道的話題。

　　薛定諤提出這個(gè)佯謬本意是想問，宏觀世界是否存在與微觀世界一樣可區(qū)分態(tài)的疊加態(tài)？現(xiàn)實(shí)世界上為何看到的要么死，要么活的貓，從未看到這只半死半活的貓？可見這里的關(guān)鍵詞是“死”和“活”這兩種可區(qū)分狀態(tài)，“貓”只是用于形象地表征這個(gè)物理命題而已，采用貓呀狗呀都一樣。

　　興許貓恰好是薛定諤本人的寵物，他便拿它來(lái)說事，或許薛定諤討厭貓，故意使它處在半死半活的難堪狀態(tài)上處罰它，但無(wú)論怎樣，他不經(jīng)意地就讓這只貓揚(yáng)名天下！所以不要太在意“貓”，只關(guān)注“死”“活”。

　　談到宏觀可區(qū)分的量子態(tài)，人們自然會(huì)想到《量子光學(xué)》中的相干態(tài)|α?，相干態(tài)是最接近于經(jīng)典的量子態(tài)，理想的激光就是相干態(tài)，而且當(dāng)其平均光子數(shù)很大時(shí)，相干態(tài)的量子效應(yīng)便可忽略不計(jì)，可被視為經(jīng)典電磁波。因此在尋找“薛定諤貓”制備的方案，人們多數(shù)采用相位差為π的兩個(gè)相干態(tài)的疊加作為“貓態(tài)”的候選者。這類方案已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，最先是在原子尺度上制備這類“貓態(tài)”，其后又在宏觀尺度上也制備成功。因此“薛定諤貓”確實(shí)如量子力學(xué)所預(yù)言的那樣，在宏觀世界里是存在的。

　　“薛定諤貓”可以生存，但是在現(xiàn)實(shí)世界中我們卻觀察不到這種疊加態(tài)，只能觀察到確定的狀態(tài)——“貓”要么死，要么活，僅有一種狀態(tài)。這就是所謂的宏觀實(shí)在性，即自然客體的宏觀可區(qū)分狀態(tài)總是確定的。

　　玻爾

　　以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派反對(duì)此說法，作了如下傳統(tǒng)的詮釋：我們只能通過測(cè)量才能確知“貓”處在什么狀態(tài)，而測(cè)量會(huì)破壞被測(cè)的量子態(tài)，其結(jié)果是“活貓”和“死貓”的疊加態(tài)會(huì)塌縮到活貓或死貓兩者之一的確定態(tài)。換句話講，現(xiàn)實(shí)自然界的宏觀實(shí)在性是人類對(duì)量子客體測(cè)量引起的所謂“波包塌縮”所造成的。

　　玻爾認(rèn)為，只有測(cè)量之后看到的才是真實(shí)存在的，測(cè)量之前的量子世界是虛擬的，不真實(shí)的。正是測(cè)量決定了薛定諤貓是死還是活的命運(yùn)。“測(cè)量”究竟發(fā)生了什么？迄今人們還還遠(yuǎn)未搞清楚！

　　如果自然界的宏觀實(shí)在客體果真如玻爾所言是人類實(shí)施測(cè)量所造成的后果，那就意味著“人類”誕生在自然界之先，這怎么可能呢？人類只不過是自然界演化中在特殊時(shí)間和特殊空間中的特定產(chǎn)物而已，玻爾的詮釋顯然本末倒置。此外，任何客觀實(shí)在客體都是由分子，原子，電子，基本粒子等微觀粒子構(gòu)成的，那么虛擬、不真實(shí)的微觀世界怎么構(gòu)造出真實(shí)的宏觀世界呢？哥本哈根學(xué)派也無(wú)法自圓其說！

　　宏觀世界存在的“薛定諤貓”是人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里采用特殊方法制備出來(lái)的，這種人造的“薛定諤貓”壽命不長(zhǎng)，環(huán)境的消相干效應(yīng)會(huì)最終使它因量子相干性消失而自動(dòng)衰變?yōu)榻?jīng)典的貓，即要么死要么活的確定狀態(tài)?！跋喔伞睍?huì)殺死薛定諤貓，這是否表明，宏觀實(shí)在性就是環(huán)境的消相干造成的？不完全對(duì)！

　　所有人為制備的量子系統(tǒng)都會(huì)飽受環(huán)境的消相干效應(yīng)的破壞，如不采取有效的措施抵制這種消相干的影響，這些量子系統(tǒng)最后都會(huì)演化成經(jīng)典系統(tǒng)。那么自然界是否存在有環(huán)境消相干效應(yīng)無(wú)法摧毀的量子系統(tǒng)呢？確實(shí)有。我們知道，任何宏觀客體都是由分子、原子、電子等微觀粒子構(gòu)成的，這些遵從量子力學(xué)規(guī)律的微觀粒子是真實(shí)的，絕不是如哥本哈根學(xué)派所說的那樣是虛擬的。宏觀客體中的這些微觀粒子組份是量子系統(tǒng)，它們?cè)诃h(huán)境中依然保持著量子特性，并不會(huì)因消相干被破壞掉，原因何在？其根源在于這些微觀量子系統(tǒng)中存在著很強(qiáng)的內(nèi)在相互作用，粒子之間的強(qiáng)耦合遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境的消相干作用（即退耦合作用），因此微觀量子系統(tǒng)的量子性能夠牢固地保持住。

　　人造的量子系統(tǒng)會(huì)死亡，而自然生成的量子系統(tǒng)卻能永存。這就是自然界本來(lái)的狀況。宏觀客體遵從經(jīng)典理論，具有宏觀實(shí)在性，其結(jié)構(gòu)單元卻是量子客體，遵從量子理論，兩者和諧地融合為自然客體。人們迄今已成功建立經(jīng)典理論和量子理論，能分別正確地描述經(jīng)典世界和量子世界，但還無(wú)法完整地描述自然世界（量子力學(xué)與相對(duì)論并不融合），原因在于我們還沒有研究清楚量子世界與經(jīng)典世界之間的界限、究竟是什么物理機(jī)制使得量子世界能自動(dòng)地演化為經(jīng)典世界。

　　AnthonyLeggett教授

　　如何判斷一個(gè)物理客體是經(jīng)典的還是量子的？2003年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者AnthonyLeggett教授和合作者AnupamGarg教授為此提出所謂“Leggett–Garg不等式”（下稱LG不等式），凡是滿足此不等式的物理客體屬于經(jīng)典世界，具有處于確定狀態(tài)的宏觀實(shí)在性；若違背LG不等式，則屬于量子世界，遵從量子態(tài)疊加原理。

　　為研究這個(gè)問題，我們可以借用“薛定諤貓”來(lái)幫忙。首先采用量子光學(xué)相干態(tài)人為地制造出一只“薛定諤貓”，并采取措施保護(hù)這只“貓”不被環(huán)境消相干殺死，當(dāng)然，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上可以運(yùn)用LG不等式來(lái)識(shí)別這只“貓”確實(shí)是“量子”的（即實(shí)驗(yàn)結(jié)果若違背LG不等式，就證實(shí)它是量子疊加態(tài)）。然后，在實(shí)驗(yàn)上設(shè)法使“貓”逐漸胖起來(lái)（及增大相干態(tài)的平均光子數(shù)），一直胖到LG不等式不再被違背，這時(shí)“薛定諤貓”便死掉了，變?yōu)榻?jīng)典貓，它處在死或活的確定狀態(tài)上。這便找到了經(jīng)典與量子的界限。特別要強(qiáng)調(diào)，實(shí)驗(yàn)中“薛定諤貓”之死，既不是環(huán)境的他殺，也不是測(cè)量引起波包塌縮導(dǎo)致，而是“貓”變胖后的自然死亡。

　　當(dāng)然我們還需設(shè)計(jì)更多的這類使薛定諤貓自然死亡的實(shí)驗(yàn)，最終從實(shí)驗(yàn)上搞清量子世界自發(fā)演化到經(jīng)典世界究竟有哪些機(jī)制。一個(gè)可能采取的實(shí)驗(yàn)方案是，采用質(zhì)量很小的客體來(lái)制備薛定諤貓，然后逐漸增大質(zhì)量，直至貓自然死亡為止。從而確認(rèn)質(zhì)量、引力是否是量子過渡到經(jīng)典的機(jī)制。一旦我們能在實(shí)驗(yàn)上搞清楚“量子—經(jīng)典”過渡的機(jī)制，就可以在薛定諤方程中加上體現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的相互作用項(xiàng)，從而可能將量子理論與經(jīng)典理論融合起來(lái)。因此，研究“薛定諤貓”為什么會(huì)自然死亡成為探索量子世界奧秘的重要抓手之一。（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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