誰知道薛定谔的老鼠是什麼?

況.
結束語
"薛定谔貓"是被作為質疑量子力學的極端例子提出來的,但圍繞著它一系列量子力學基本問題的研究,其寓意是十分深刻的.一方面,薛定谔貓為我們提供了從量子力學過渡到經典力學的范例,使人們充分領略到退相干過程的基本物理含義,並尋求比量子力學更基本的底層理論;另一方面,由於人們能夠在特殊的條件下,制備出各種各樣薛定谔貓態,使得量子力學適用的領域,從微觀直接延伸到宏觀,其進一步應用有可能發現新的,更宜於實際實現的量子信息載體.

暈是薛定谔的貓

薛定谔的貓
物理學周飛王玲麗
貓的誕生
薛定谔對量子力學的"哥本哈根解釋"經常提出質疑.1935年.薛定谔對量子力學哥本哈根學派提出了又一次挑戰.他設想一種理想實驗:
"一只貓關在一個鋼盒內,盒中有下述極殘忍的裝置(必須保證此裝置不受貓的直接干擾):在蓋革計數器中有一小塊輻射物質,它非常小,或許在1小時內只有一個原子衰變.在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變.如果發生衰變,計數管便放電,並通過繼電器釋放一錘,擊碎一個小的氫氰酸瓶.如果人們使這整個系統自己存在1個小時,那麼人們會說,如果在期間沒有原子衰變,這貓就是活的.而第一次原子衰變必定會毒殺了貓."
貓的照片
我們心中的貓
根據量子力學,盒內整個系統處於兩種態的疊加
之中,其中第一分量意味著死貓與原子嬗變態|e>的關聯;第二分量意味著活貓與原子穩態|g>的關聯.這樣的關聯狀態就是所謂的量子糾纏態.
我們看貓
那麼,在這個箱子裡的貓究竟是死的還是活的呢按照以玻爾為代表的哥本哈根學派的解釋,放射性原子的衰變可以用波函數來描述.在沒有打開箱子時,放射性原子進入了衰變與不衰變的迭加態,這時貓就成了一只處於迭加態的貓,即一只又死又活,半死半活的貓.只有當實驗者打開箱子的時候,波函數突然"坍縮",我們才能知道貓的確定態:死,或者活.
然而,貓卻不這樣認為
是死是活,
我心裡明白
理論上講,貓自己還是知道自己是活還是死的.
但根據量子測量假說,處在這種怪態上,貓的生死是打開盒子前的"客觀存在",但又決定於打開盒子後的"觀察".看上去這個推論是不合理的,因而稱之為"薛定谔貓佯謬".
如果盒子還有一個人,貓的生死他是知道的,他是否會得到與盒外觀察者一樣的結果呢
多宇宙解釋
當你擲骰子,它看起會隨機得到一個特定的結果.然而量子力學指出,那一瞬間你實際上擲出了每一個狀態,骰子在不同的宇宙
中停在不同的點數.其中一個宇宙裡,你擲出了1,另一個宇宙裡你擲出了2…….然而我們僅能看到全部真實的一小部分--其中一個宇宙.
多宇宙解釋中的貓
多宇宙認為貓並未疊加,而是"分裂"成了兩只,一死一活,必定有一只活貓!只不過它們存在於兩個平行的世界中.
多宇宙理論中的問題——量子永生
現在假如有一位勇於為科學獻身的仁人義士,他自告奮勇地去代替那只倒霉的貓.根據多宇宙,必定有一個你看到瓶子碎掉,另一個你在另一個世界裡看到瓶子仍然完整.但問題是,看到瓶碎的那位隨即就死掉了,什麼感覺都沒有了,這個世界對"你"來說就已經沒有意義了.對你來說,唯一有意義的世界就是你活著的那個世界.
所以,從人擇原理的角度上來講,對你唯一有意義的"存在"就是那些你活著的世界.你永遠只會看到瓶子完好無損而繼續活著!因為多宇宙和哥本哈根不同,永遠都會有一個你活在某個世界!
如果多宇宙理論是正確的,那麼我們得到的推論是:一旦一個"意識"開始存在,從它自身的角度來看,它就必定永生!
尋找新的解釋
既然量子論是正確的,那麼疊加性必然是一種普遍現象.可是,為什麼火星有著一條確定的軌道,而不是從軌道上向外散開去呢
自然,答案在哥本哈根派的錦囊中是唾手可得:火星之所以不散開去,是因為有人在"觀察"它,或者說有人在看著它.每看一次,它的波函數就坍縮了.但無論費米還是蓋爾曼,都覺得這個答案太無聊和愚蠢,必定有一種更好的解釋.
新的解釋——量子退相干
現在除非存在某種機制,破壞貓的內部狀態或死貓和活貓(波包內部或波包之間)的相干疊加,"薛定谔貓佯謬"和宏觀物體空間局域化問題在邏輯和常識上才能得到自恰的解決.
目前,可以用量子糾纏誘導量子退相干的觀點,對薛定谔貓徉謬和宏觀物體的空間定域化問題給出可能的物理解答.
量子退相干
定性地說,一方面,組成宏觀物體的內部微觀粒子的個體無規運動,以及宏觀物體所處的環境的隨機運動,會與宏觀物體的集體自由度耦合糾纏起來,產生對集體自由度的廣義量子測量.隨著環境的自由度或組成宏觀物體的粒子數增多,與之相互作用的量子系統會出現量子退相干,使得量子相干疊加名存實亡.由此看來,"薛定谔貓佯謬"和宏觀物體的空間定域化問題有可能起因於對問題的不恰當地表述.
量子退相干
量子測量會引起量子退相干
現在可以設想,環境的作用和宏觀物體的內部的影響,相當於對集體自由度進行有效的量子測量,形成環境的或宏觀物體的內部與系統間的糾纏態.從這一角度,wigner及joos和zeh討論了解決薛定谔貓徉謬和宏觀物體的空間定域化問題的可能性:環境粒子與宏觀物體散射會形成宏觀物體和散射粒子(真空光子,空氣的原子分子)之間的量子糾纏態,從而環境粒子能夠記錄宏觀物體的"which-way"信息.特別是,依據omnes"內部環境"的觀念,我們因子化理論的分析不限於環境誘導量子退相干,可以包括組成宏觀物體的微觀粒子的個體無規運動引起量子退相干的分析.這就強調了,即使把宏觀物體與其環境完全隔離開,量子退相干也會發生.
用退相干理論去理解貓
談到的宏觀物體-"貓"的"死"和"活"是代表貓兩種集體狀態(或兩個宏觀可區別的波包),如質心自由度所處的狀態.由於宏觀物體由大量微觀粒子組成,其組成的部分的運動不是嚴格地協調一致.在這種情況下,必須考慮眾多內部自由度對集體態的影響.這種影響與集體狀態形成理想的量子糾纏,"平均掉"內部自由度的影響,宏觀物體的相干疊加性就會被破壞了:死貓與原子嬗變態|e>的關聯和活貓與原子穩態|g>的關聯是經典的.
貓兒的處境快清楚了
這是一個客觀的概率性事件,並不依賴人們去觀察什麼.這與量子糾纏態描述的概率性事件有本質的不同,因為後者依賴於人們去觀察什麼.(可以觀測|e>或|g>,也可以觀測|e>和|g>的相干疊加,二者會給出不同的關聯).因此,雖然形式地寫出了死態與活態的相干疊加,但在嚴格的意義下,只要談到通常的"宏觀物體",其相干性是不存在的.
貓的"死"和"活"是不相干的
由於薛定谔貓是一個宏觀物體,它具有非常大的狀態空間和特別密集的能譜.例如,我們假設"貓"是由n個二能級原子組成;每個粒子的基態能量為0,而激發態的能量為e,則貓的總能量必處於0和ne之間,而可能存在的不同狀態總數為2n,則平均能量間隔為ne/2n.因此,當n很大時,能量間隔趨近於零.由於能級間隔很小,內部狀態既便經歷了一個很小的擾動,也很容易躍遷到不同的狀態上.就是說,集體自由度在不同的狀態上會對不同的內部狀態產生不同的影響.上述不穩定性會導致與"死"和"活"關聯的內部狀態不一樣.事實上,由於內態包含了很多分量,只要其中一個正交,便出現了量子退相干.
實驗中的"薛定谔貓"
以上的討論只是表明在通常的情況下,由於各種量子退相干的原因,象"貓"這樣的宏觀物體不會穩定地處於一個相干疊加態上.但是,在極特殊的情況下宏觀量子態還是可能存在的.這種情況有二:
如果組成宏觀物體的內部分量能"協調一致",存在某種相位匹配,則有可能形成宏觀量子態.這方面一個典型的例子是超導和玻色-愛因斯坦凝聚(bec).
如果組成宏觀物體的內部分量相對固定,宏觀物體的內部自由度不被與集體自由度的耦合所激發.zeilinger研究小組c60分子的量子干涉實驗便屬於這種情況.
結束語
"薛定谔貓"是被作為質疑量子力學的極端例子提出來的,但圍繞著它一系列量子力學基本問題的研究,其寓意是十分深刻的.一方面,薛定谔貓為我們提供了從量子力學過渡到經典力學的范例,使人們充分領略到退相干過程的基本物理含義,並尋求比量子力學更基本的底層理論;另一方面,由於人們能夠在特殊的條件下,制備出各種各樣薛定谔貓態,使得量子力學適用的領域,從微觀直接延伸到宏觀,其進一步應用有可能發現新的,更宜於實際實現的量子信息載體.

上一页 [1] [2]

誰知道薛定谔的老鼠 是什麼?

誰知道薛定谔的老鼠是什麼?