檢驗「薛定諤」之貓

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【明慧網2002年10月24日】據《科學》雜誌10月9日在線新聞(ScienceNow),量子物理學家剛剛提出了一個方案以檢驗量子物理學中的迭加效應是否適用於一些大數目的粒子系統。該實驗可能可揭示微觀粒子的量子現象為甚麼不適用於我們日常所見到的物體如貓和磚塊等。

簡單地說,量子物理學的迭加原理指出一個量子物體比如光子可以同時處於兩個以上不同性質的狀態,打個簡單的比方就像一隻貓同時處於「死」和「活」兩種狀態。而對物體狀態的測量得到的結果又是唯一的,就像我們觀察一隻貓一樣,是死是活兩者必居其一。那麼一個問題是,處於不同狀態迭加的量子物體怎樣給出這種唯一觀測結果。現有的量子物理學正統解釋認為對量子物體進行測量時,處於迭加態的物體的波函數便突變為所測量到的狀態的波函數,即波函數發生了「坍縮」。這種「坍縮」過程是一個奇怪的過程,沒有一個人能解釋它,甚至知道這種過程存不存在,量子力學裏也沒有一個方程或公式能夠描述。所以許多著名的物理學家包括量子力學的先驅者之一的薛定諤對這種解釋非常不滿。他因此設計了一隻奇特的貓來質疑量子力學的正統解釋:在一個盒子裏,用一個放射性原子的衰變來控制毒氣瓶的開關,毒氣可以毒死放在盒子裏的貓。根據量子力學,放射性原子處於衰變和不衰變的迭加態。如果原子衰變,開關打開,毒氣射出,貓就死亡,如果原子不衰變,貓就不會死。貓也成了一隻處於迭加態的貓 ,即又死又活、半死半活的貓。只有當打開盒子進行觀測的時候,這種又死又活的迭加態突然結束,縮成了一個確定的狀態(在數學術語就是「坍縮」)我們知道了貓的確定態:死,或者活。

物理學家們不知道為甚麼這個迭加原理只適用於微觀粒子而不適用於宏觀物體。為了探索其中的原因,物理學家們不斷增加實驗的粒子 (薛定諤之貓 ) 質量以觀察這種迭加效應是否還適用。2001年5月,奧地利維也納大學 (University of Vienna, Austria)的安頓﹒茲令格(Anton Zeilinger)教授檢驗了C70分子,由70個炭原子組成的分子的迭加性質,發現量子力學的迭加原理仍然適用。

牛津大學的羅格爾﹒彭羅斯(Roger Penrose)教授和加州大學聖達巴巴拉(Santa Barbara) 分校的迪克﹒包米斯特爾(Dik Bouwmeester)和他們的同事提出了一個實驗方案,可使參與實驗的「薛定諤之貓」由1014個原子組成,比茲令格實驗中分子大十億倍以上。

「如果實驗證明量子力學成功,那麼量子力學的有效範圍被擴展了9個量級。這是一個非常令人激動的前景,」位於費城的賓夕法尼亞大學的理論物理學家馬克斯﹒特格馬克說,「這已經達到了細胞的大小。如果量子力學在細胞的尺度上適用,那麼它可能也適用用於大小如一隻老鼠或一個人那樣的物體。也許不久薛定諤的思想實驗就不再僅僅是異想天開而已。

本世紀量子力學雖然在理論和實踐上都獲得了巨大的成功,如使我們對世界的認識深入到微觀世界,在應用上導致了電子工業的飛速發展等。但是對微觀世界中一些現象(量子態的迭加,微觀粒子的量子纏繞)後面的本質物理學家們仍然很難解釋,也不清楚。量子力學對一些過程(如測量)的正統解釋也顯得過於牽強。要真正地理解量子力學,可能需要在一些最基本的物理概念上,如宇宙,時空等有所突破。有一些科學家已經在一些方面作了大膽的嘗試,比如一些物理學家認為可以用存在許多個不同的平行世界(或宇宙)的假設更好地理解量子理論。

參考資料

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

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