薛定ding的貓會存在於現實生活中嗎?

薛定ding的貓會存在於現實生活中嗎?
SHUTTERSTOCK

您曾經同時去過多個地方嗎? 如果您比一個原子大得多,答案是否定的。

但是原子和粒子受量子力學規則支配,其中幾種不同的可能情況可以同時存在。

量子系統由所謂的“波動函數”控制:一個描述這些不同可能情況概率的數學對象。

這些不同的可能性可以作為不同狀態的“疊加”共存於波動函數中。 例如,一次存在於幾個不同位置的粒子就是我們所說的“空間疊加”。

僅當執行測量時,波動函數“崩潰”並且系統最終以一種確定的狀態結束。

通常,量子力學適用於原子和粒子的微小世界。 對於大型物體的含義尚無定論。

在我們的研究中, 今天發表在Optica,我們提出了一個實驗,可以徹底解決這個棘手的問題。


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歐文·薛定er的貓

在1930年代,奧地利物理學家ErwinSchrödinger提出了他著名的關於盒子裡的貓的思想實驗,根據量子力學,盒子裡的貓可以同時活著或死掉。

在其中,一隻貓被放置在一個密封的盒子中,其中一個隨機的量子事件有50–50的機率殺死它。 直到打開盒子並觀察到貓,貓都死了 亦於 同時活著。

換句話說,貓在被觀察之前就以波動函數的形式存在(具有多種可能性)。 當觀察到它時,它便成為一個確定的對象。


什麼是薛定ding的貓?

經過大量辯論後,當時的科學界對“哥本哈根的解釋”。 這基本上說量子力學只能應用於原子和分子,而不能描述更大的物體。

原來他們錯了。

在過去的二十多年中,物理學家 已經創造出來了 量子態 由數万億個原子組成的物體 —足夠大,可以用肉眼看到。 雖然,這有 包括空間疊加。

波函數如何變為實數?

但是波動函數如何變成“真實”對象?

這就是物理學家所說的“量子測量問題”。 大約一個世紀以來,它一直困擾著科學家和哲學家。

如果有一種機制可以消除大型物體量子疊加的可能性,那麼它將需要以某種方式“擾亂”波函數-這會產生熱量。

如果發現這種熱量,則意味著不可能進行大規模的量子疊加。 如果排除了這種熱量,那麼自然界很可能不介意任何大小的“量子化”。

如果是後者,借助先進的技術,我們可以放置大型物體, 也許甚至是眾生,變成量子態。

這是量子疊加中諧振器的圖示。 紅色波浪代表波浪函數。
這是量子疊加中諧振器的圖示。 紅色波浪代表波浪函數。
克里斯托弗·貝克, 作者提供

物理學家不知道阻止大規模量子疊加的機制會是什麼樣子。 有人說 未知的宇宙學領域。 其他 可疑重力 可能與此有關。

今年的諾貝爾物理學獎得主羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)認為,這可能是由於 眾生的意識.

追逐微小的動作

在過去的十年左右的時間裡,物理學家一直在熱切地尋找痕量的熱量,這表明波動函數受到干擾。

為了找出答案,我們需要一種能夠(盡可能完美地)抑制所有其他“過量”熱源的方法,這些熱量可能會妨礙精確測量。

我們還需要保持一種稱為量子“反作用”的效應,其中觀察行為會產生熱量。

在我們的研究中,我們制定了這樣的實驗,它可以揭示對於大型物體是否可能進行空間疊加。 最好的 到目前為止的實驗 一直未能實現這一目標。

用微小的振動光束找到答案

我們的實驗將使用比已使用的頻率高得多的諧振器。 這樣可以消除冰箱本身產生熱量的問題。

像以前的實驗一樣,我們需要使用比絕對零高0.01開氏度的冰箱。 (絕對值零是理論上可能的最低溫度)。

由於極低的溫度和極高的頻率的組合,諧振器中的振動經歷了一個稱為“玻色凝結”的過程。

您可以想像這是因為諧振器變得非常結冰,致使冰箱中的熱量無法擺動,甚至無法擺動。

我們還將使用不同的測量策略,該策略完全不考慮諧振器的運動,而是考慮其具有的能量。 該方法也將強烈抑制反作用熱。

但是,我們將如何做呢?

單個光粒子將進入諧振器並來回反彈數百萬次,吸收了多餘的能量。 它們最終將離開諧振器,帶走多餘的能量。

通過測量發出的輕粒子的能量,我們可以確定諧振器中是否有熱量。

如果存在熱量,則表明未知源(我們沒有控制)干擾了波函數。 這意味著疊加不可能大規模發生。

一切都是量子的嗎?

我們提出的實驗具有挑戰性。 這不是您可以在周日的下午隨意設置的東西。 這可能需要數年的發展,需要數百萬美元和一大堆熟練的實驗物理學家。

但是,它可以回答有關我們現實的最令人著迷的問題之一:所有事物都是量子的嗎? 因此,我們當然認為值得付出努力。

至於將人或貓置於量子疊加中,實際上我們沒有辦法知道這將如何影響這種存在。

幸運的是,這是我們現在不必考慮的問題。談話

關於作者

博士後研究員Stefan Forstner, 昆士蘭大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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