检验“薛定谔”之猫


【明慧网2002年10月24日】据《科学》杂志10月9日在线新闻(ScienceNow),量子物理学家刚刚提出了一个方案以检验量子物理学中的迭加效应是否适用于一些大数目的粒子系统。该实验可能可揭示微观粒子的量子现象为什么不适用于我们日常所见到的物体如猫和砖块等。

简单地说,量子物理学的迭加原理指出一个量子物体比如光子可以同时处于两个以上不同性质的状态,打个简单的比方就象一只猫同时处于“死”和“活”两种状态。而对物体状态的测量得到的结果又是唯一的,就象我们观察一只猫一样,是死是活两者必居其一。那么一个问题是,处于不同状态迭加的量子物体怎样给出这种唯一观测结果。现有的量子物理学正统解释认为对量子物体进行测量时,处于迭加态的物体的波函数便突变为所测量到的状态的波函数,即波函数发生了“坍缩”。这种“坍缩”过程是一个奇怪的过程,没有一个人能解释它,甚至知道这种过程存不存在,量子力学里也没有一个方程或公式能够描述。所以许多著名的物理学家包括量子力学的先驱者之一的薛定谔对这种解释非常不满。他因此设计了一只奇特的猫来质疑量子力学的正统解释:在一个盒子里,用一个放射性原子的衰变来控制毒气瓶的开关,毒气可以毒死放在盒子里的猫。根据量子力学,放射性原子处于衰变和不衰变的迭加态。如果原子衰变,开关打开,毒气射出,猫就死亡,如果原子不衰变,猫就不会死。猫也成了一只处于迭加态的猫 ,即又死又活、半死半活的猫。只有当打开盒子进行观测的时候,这种又死又活的迭加态突然结束,缩成了一个确定的状态(在数学术语就是“坍缩”)我们知道了猫的确定态:死,或者活。

物理学家们不知道为什么这个迭加原理只适用于微观粒子而不适用于宏观物体。为了探索其中的原因,物理学家们不断增加实验的粒子 (薛定谔之猫 ) 质量以观察这种迭加效应是否还适用。2001年5月,奥地利维也纳大学 (University of Vienna, Austria)的安顿·兹令格(Anton Zeilinger)教授检验了C70分子,由70个炭原子组成的分子的迭加性质,发现量子力学的迭加原理仍然适用。

牛津大学的罗格尔·彭罗斯(Roger Penrose)教授和加州大学圣达巴巴拉(Santa Barbara) 分校的迪克·包米斯特尔(Dik Bouwmeester)和他们的同事提出了一个实验方案,可使参与实验的“薛定谔之猫”由1014个原子组成,比兹令格实验中分子大十亿倍以上。

“如果实验证明量子力学成功,那么量子力学的有效范围被扩展了9个量级。这是一个非常令人激动的前景,”位于费城的宾夕法尼亚大学的理论物理学家马克斯·特格马克说,“这已经达到了细胞的大小。如果量子力学在细胞的尺度上适用,那么它可能也适用用于大小如一只老鼠或一个人那样的物体。也许不久薛定谔的思想实验就不再仅仅是异想天开而已。

本世纪量子力学虽然在理论和实践上都获得了巨大的成功,如使我们对世界的认识深入到微观世界,在应用上导致了电子工业的飞速发展等。但是对微观世界中一些现象(量子态的迭加,微观粒子的量子缠绕)后面的本质物理学家们仍然很难解释,也不清楚。量子力学对一些过程(如测量)的正统解释也显得过于牵强。要真正地理解量子力学,可能需要在一些最基本的物理概念上,如宇宙,时空等有所突破。有一些科学家已经在一些方面作了大胆的尝试,比如一些物理学家认为可以用存在许多个不同的平行世界(或宇宙)的假设更好地理解量子理论。

参考资料

1.http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2002/1008/2
2.http://ojps.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000088000010100404000001&idtype=cvips&gifs=yes&jsessionid=852181034550126956