当前位置:新葡萄娱乐在线网站 > 国际资讯 > 薛定谔的猫是什么,薛定谔的猫

薛定谔的猫是什么,薛定谔的猫

文章作者:国际资讯 上传时间:2019-08-30

  外媒称,电影《星际迷航》中使企业号星舰的舰员在一个地点消失,并立即出现在另一个地点的传送装置让人印象深刻,它从未像现在一样与人类如此接近。

前不久,清华大学和美国普渡大学的物理学家设计了一个实验,要把活的生物体置于量子叠加态之中。不,他们没打算用猫,而是要用小得多的细菌。为什么要大费周章去如此处置细菌?量子叠加态的生命又有什么神奇之处?果壳网科学人特邀了这项研究的合作者、清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员尹璋琦,请他亲自讲述薛定谔细菌的来龙去脉。

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象:观测。微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦人的意识参与到观测行为中,它们立刻选择成为粒子。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加[1]的著名思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象:观测。微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,它们立刻选择成为粒子。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

  据西班牙《阿贝赛报》1月27日报道,一支由美国珀杜大学和中国清华大学的研究人员共同组成的科研团队,设计出了迄今为止首个传送活体微生物内部量子态的计划。在寻找传送活人的方法的过程中,这项研究是一个重要的进展。

新葡萄娱乐在线网站 1既死又活的薛定谔猫,猫的生死与原子衰变与否纠缠在一起。图片来源:thelifeofpsi.com

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

新葡萄娱乐在线网站,根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果[2]。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

  研究员李统藏(音)和尹璋琦(音)提出的方法是使用机电振荡器和超导电路来实现这个宏伟的目标。研究人员还表示,他们计划创造一个薛定谔的猫理论所阐释的状态,在这种状态下,一个微生物可以在同一时间身处两地。

薛定谔的猫

1935年,爱因斯坦提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(EPR)佯谬,揭示了量子力学的非定域性与我们常识之间的矛盾。然后,他进一步把这个想法推广,设想了一桶不稳定的炸药,经过一段时间后,炸药处于爆炸与不爆炸之间的量子叠加态。他把这个想法告诉薛定谔。受此启发,薛定谔把宏观量子叠加态推广到了生命体,提出了处于死与活量子叠加态的薛定谔的猫。维基百科上有关薛定谔猫态的描述如下:

实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器 (注意必须保护这仪器不被容器中的猫直接干扰):在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质,在一小时内,这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%,没有任何原子衰变的概率也同样为50%;假若衰变事件发生了,则盖革计数管会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后,假若没有发生衰变事件,则猫仍旧存活;否则发生衰变,这套机构被触发,氰化氢挥发,导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。

这个思维实验提出了一个很尖锐的问题,宏观的量子叠加态何时退化为确定的经典状态?难道是在打开容器的那一瞬间么?

自从提出了薛定谔猫态,薛定谔似乎对于把量子力学应用到生物中产生了浓厚的兴趣。在1944年,他写了一本小册子《生命是什么?》,详细分析了为什么理解生命的本质必须要用量子力学。近期的实验证明了,量子力学在生命体中确实发挥了重要的作用。比如说光合作用,以及鸟类识别方向等等。从微观角度来说,生命体就是处于量子态的,量子特性是很多生命过程能够存在的必要条件。我相信,未来利用量子力学作为工具,将会不断刷新我们对生命过程的理解和认识。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念,随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。可是另外一方面,人们发现薛定谔猫态(量子叠加态)本身就在生命过程中存在着,且是生物生存不可缺少的。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念,随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫[3]。可是另外一方面,人们发现薛定谔猫态本身就在生命过程中存在着,且是生物生存不可缺少的[3]。

  1935年,奥地利物理学家埃尔温薛定谔提出了一个假想实验,其内容是:把一只猫关在一个盒子里,盒子里还有装着毒气的容器和包含一颗放射性粒子的实验装置,这颗粒子在一定的时间内有50%的可能会衰变。粒子衰变后,毒气就会被释放出来,而那只猫就一定会死。在指定的时间过去后,有50%的可能会发现粒子已衰变、猫已死亡,也有50%的可能会发现粒子未衰变、猫还活着。用量子物理学的语言说,猫处于生或死这两种可能状态的叠加态,只有在打开盒子的那一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。在打开盒子之前,我们可以说猫同时处于生与死的两种状态。只有通过打开盒子,我们才能改变这种叠加态,并确认两种可能性中的一种。

宏观叠加态

既然生命内部的生化反应需要量子物理才能理解,那么生命体本身能处于量子态么?薛定谔猫真的能存在么?这种处于量子叠加态的宏观生命体,挑战了我们的常识,也激发了一代代物理学家研究的灵感,并且引发了哲学上的很多思辨和争议,比如说所谓的多世界理论。后来人们进一步假设生命体自身有意识,能够观察自身,那么处于薛定谔猫态的生命体,是否就能通过观察让自身而处于生的状态呢?作为物理学家,我们不愿意深陷哲学思辨的漩涡中,而要用扎实的实验来说话。最近的20年,这方面的研究进展非常巨大。

新葡萄娱乐在线网站 2正在观察自己死活的薛定谔猫。插图作者:赵斌

1996年,美国国家标准局戴维·瓦恩兰(David Wineland)的研究组用单原子离子制备出了离子的位置与内部自旋之间的量子纠缠态,也就是薛定谔猫态。瓦恩兰在2012年获得了诺贝尔物理学奖,这项工作也是他拿奖的重要贡献之一。

1999年奥地利的安东·蔡林格(Anton Zeilinger)研究组用碳60分子实现了双缝干涉实验,看到了与电子双缝干涉类似的明暗相间的条纹。最近,包含有几百个原子的复杂大分子,也被用来实现双缝干涉实验。

最近十年,对光力学的研究,使得人们能够把更大的物理系统冷却到量子基态,并制备其量子叠加态。比如说2011年,美国国家标准局的科学家就用超导电路系统,把一个直径15微米,厚度100纳米的铝薄膜机械振子冷却到了量子基态。

虽然能够实现量子叠加态和量子干涉的物理系统越来越大,可是距离薛定谔原始的设想却并没有靠近多少,因为这些系统都是无生命的。我们能在有生命的物理系统中做出宏观量子叠加态么?看起来是不可能的。可是这个疯狂的想法还是有人尝试过。2010年,德国马普研究所的科学家提出在真空中用光抓住病毒,然后把病毒的质心运动冷却到量子基态,就可以用来制备出病毒的宏观量子叠加态了(详见《生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你》)。

在马普研究所的科学家发表他们理论方案的一年前,美国得克萨斯大学奥斯丁分校的李统藏等人已经开始在实验上研究,如何在真空中用光抓住微米尺度的玻璃球,并冷却它的运动。在马普所的理论文章发表后几个月,李统藏的实验文章也在《科学》上发表。从那时起,他一直致力于在实验上制备宏观系统的量子叠加态。作为他的合作者,我与他一起合写了一系列相关的理论论文。比如,我们2013年提出,在真空中用光束缚的纳米金刚石来制备宏观薛定谔猫态。

虽然这个方向进展很快,可是要把纳米粒子冷却到量子基态,还是一个非常难的事情,短期内不可能实现。即使能够把纳米尺度的病毒抓住,冷却,并制备到量子叠加态,可病毒能否算是生命体,仍旧存在争议。要毫无争议地制备生命体的量子叠加态,至少得用细菌才行。

思想实验

  报道称,薛定谔的理论第一次向公众揭示了量子力学的深奥矛盾。在量子力学的王国里,各种粒子经常处于叠加态,这对研究人员来说也是家常便饭,他们必须习惯于种种不可能的现实,比如有的电子可以同时存在于多个地点,有的粒子相互之间无论距离多远都可以立即连通在一起,还有的粒子甚至能够进行时间旅行。从薛定谔的假想实验出发,物理学家们已经努力进行了数十年的研究,试图了解这些量子宇宙中的奇特定律是否也可以转移到宏观世界中来。毕竟,我们自己和我们周围的一切都是由粒子构成的。

叠加态细菌

回过头来看,人们在实验上实际已经把比普通细菌大得多的机械振子冷却到量子基态,且制备出了它们的量子叠加态和量子纠缠态。由于超导量子计算最近几年的迅速发展,人们对超导电路的操控能力得到了极大的进步。而与之连接的薄膜振子就更容易被操控。由此,我们可以制备机械振子的任意量子叠加态,以及两个机械振子之间的量子纠缠态。

所以,我们想,干脆把细菌放到这个冷却到量子基态的薄膜表面,靠分子间的范德瓦尔斯力粘住,跟随薄膜被冷却,自然也就到了量子基态了。由于薄膜振子的质量比细菌的质量高两个量级以上,沾上细菌后薄膜的频率与振动能量衰减率都不会有显著变化。而且被冷冻后,细菌仍旧可以保持生物活性。升温解冻后,细菌就能恢复正常的新陈代谢。

新葡萄娱乐在线网站 3图二:附着在薄膜振子上的细菌,随着振子一起被冷却到量子基态。图片来源:作者供图

我们相信,利用现有的技术来把细菌冷却到量子基态并不难,可能3年内就能实现。问题是,为什么我们要做这个事情?人们已经在更大的系统中做出了量子叠加态,沾上一个小细菌把这个实验重新做一次有什么意义呢?

首先,这个实验非常酷!薛定谔80年前提出的薛定谔猫悖论,为的是揭示量子力学的不完备性。现在我们的研究表明薛定谔猫虽然很遥远,但薛定谔的细菌并不远,生命体的量子叠加态近在眼前。

其次,我们可以用这个实验来研究生命体内部的生化反应引发的波函数塌缩。前文提到过,如果猫有意识,它也许可以观察自身来确保波函数始终塌缩到生存的那一部分。而所谓的自我意识,从根本上讲不过是一系列的生化反应而已。研究细菌中生化反应对其自身量子叠加态的影响,可以算是实验上研究生命体意识如何对自身薛定谔猫态塌缩起作用的第一步。

把冷冻的细菌制备到量子叠加态态,只是第一步,研究处于量子叠加态的生命体的生化反应等才是我们的目标。在我们这篇论文中,我们还提出了第二个实验,利用这个实验装置来精确的测量细菌内部分子的结构和缺陷,可以实现单个电子,乃至单个原子核的分辨率。一旦实现,能帮助我们更本质地理解生物大分子如何发挥功能。

我们相信,随着生命体的量子叠加态在实验中实现,生物与量子物理将会更深度的交叉与融合,我们对生命的本质将会有更深刻的认识。(编辑:Steed)

新葡萄娱乐在线网站 4

  当然,科学家目前已经取得了许多重要进展。在过去20年中,多支科研团队在传送量子态方面取得了越来越好的结果。

新葡萄娱乐在线网站 5

  但是,还没有人成功传送过活体生物,所有已完成的实验距离成功传送生物或生物的量子态依然十分遥远。

新葡萄娱乐在线网站 6

  在此次研究中,李统藏和尹璋琦提出,把一个细菌放到一个连接在超导电路里的机电振荡器上,以获得该生物内部的超导量子态,并在随后传送该量子态。首先,实验选择的细菌比振荡器的薄膜小得多,因此不会影响到振荡器的运行。在细菌和薄膜都呈现出量子态后,该量子态可以通过微波超导电路传输到远处的另一个生物身上。

5张

  李统藏说:我们提出了一个简单的方法,能够让一个微生物同时出现在两个地方。同时,我们还提供了一个传送完整生物体量子态的方式。我希望我们的研究能够启发其他研究者,使他们认真思考微生物量子传送的可能性,及该问题未来的种种可能。

合并图册

薛定谔的猫(Schrödinger's Cat)是关于量子理论的一个思想实验。尽管量子论的诞生已经过了一个世纪,其辉煌鼎盛与繁荣也过了半个世纪。量子理论曾经引起的困惑直到21世纪仍困惑着人们。正如玻尔的名言:“谁要是第一次听到量子理论时没有发火,那他一定没听懂。”薛定谔的猫是诸多量子困惑中有代表性的一个。一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半。物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午。当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是猫在上午或者下午死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

薛定谔挖苦说:按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子(引用自莎士比亚的名言)所说:“生存还是死亡,这是一个问题。”只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束(在数学术语就是“波函数坍缩”),哈姆雷特王子的犹豫才终于结束,我们知道了猫的确定态:死,或者活。哥本哈根的几率诠释的优点:只出现一个结果,这与我们观测到的结果相符合。有一个大的问题:它要求波函数突然坍缩,可物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于或许实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价:违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。

薛定谔尝试着用一个理想实验来检验量子理论隐含的不确定之处。

设想在一个封闭的匣子里,有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时,药瓶被打破,猫将被毒死。按照常识,猫可能死了也可能还活着。量子力学告诉我们,存在一个中间态,猫既不死也不活,直到进行观察看看发生了什么。

量子力学告诉我们:除非进行观测,否则一切都不是确定的,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,这是一种唯象理论,它本身不是终极真理。他说过一句名言:“‘上帝’不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非本征态之说,认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性。爱因斯坦花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否确在起作用,但没有完成这种设计就去世了。

本文由新葡萄娱乐在线网站发布于国际资讯,转载请注明出处:薛定谔的猫是什么,薛定谔的猫

关键词: