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单个的微观粒子可以有叠加态,为何宏观物质不具备叠加态呢?

我们的宇宙或许开始于一个量子事件,可是地球和天体的运作却是经典的,甚至于找不到半点量子的痕迹。这其中的终极原因,我们或许可以在最近的Physical Review Letters上找到答案。最近在Physical Review Letters上报道的一份工作表明,或许是我们空间中非常微弱但无处不在的引力波扰动了量子叠加态,从而使得现实版本的薛定谔猫永远也观察不到。
 

量子力学允许系统经历一种非常奇特的状态,通常我们称之为叠加态,以电子为例,处在叠加态中的电子可以同时具有向上和向下的自旋。然而单个的微观粒子可以有叠加态,为何宏观物质不具备叠加态呢?薛定谔在很早时就设想过这样一只半死半活的猫。现在,很多理论学家相信,对于宏观尺度的物质,也具有微观物质一样精确的叠加态关系,但是环境中复杂的连续扰动破坏了叠加态。这样的扰动作用在叠加态的各个组分上,最终使他们退相干,成为确定的“死”的或者“活”的,而不是两者兼有的状态。在实验室中,即便是小如原子的体系,都需要对环境中的杂散电磁场采取防护措施,以确保实验体系不会被退相干。
正是因为引力场具有普遍性和不可规避性,研究者们才提出这种假设,认为引力场在确保宏观物体的经典行为上起着基础性的作用。来自美国新罕布尔什州汉诺威达特茅斯学院的Miles Blencowe计算了宇宙中引力辐射对量子态退相干的影响;宇宙中的引力辐射可以看作是大爆炸在时空中的涟漪。这一背景引力辐射是著名的宇宙微波背景辐射的孪生兄弟,但是比宇宙微波背景辐射的温度要略低。尽管这些引力波可能并不是环境中对物体影响的最大因素,Blencowe只是想看看当它们单独作用的时候,是否足以保证宏观物质的经典行为。
在作者的方法中,引力波被看作是一种时空中的扰动,当他经过一个叠加态时,这种扰动就将叠加态打破了。为了考察这种扰动效应的尺度结构,Blecowe考察了一个可置于叠加态中的简单模型。他考虑了一个原子尺度的液滴,具有质量和能量,并由一个虚拟场构成。其后他设想,这个液滴被制备于一个基态和激发态的叠加态中,其中基态与叠加态的能量相差一个eV,然后他让这种扰动作用于这个量子体系,考察需要多久这个叠加态会去简并为两个态。答案是:一点也不快。对于这样一个叠加态的退相干,要花10^45秒,比已知的宇宙年龄还要大上10^28倍。
这样的结果一点也不惊奇,因为弱引力波作用在原子级别的物体上,其作用是微乎其微的。但在Blencowe的工作同时也表明,退相干的速率会随着两个态的能量差的平方增加而增加。对于更宏观的物体,例如数量级在阿伏伽德罗常数的原子体系制备于一个叠加态中,这样体系间的能量差异就在6x10^23量级,这样去简并就只需要0.01秒左右的时间。
在膨胀宇宙模型中,引力辐射或许比Blencowe工作中所描述的要复杂的多,德国科隆大学的Claus Kiefer提到,而且我们也不知道引力辐射的存在是否真的会像Blencowe所描述的那样影响量子叠加态。尽管如此,Keifer说道,这一新结果“毫无疑问是有趣的,因为它将量子叠加态的退相干引入了一个普适的行为当中。”
——David Lindly
David Lindley是来自弗吉尼亚州亚历山大市的自由撰稿人,同时也是“Uncertainty: Einstein, Heisenberg, Bohr and the Struggle for the Soul of Science”一书的作者。

大尺度量子疑问。量的铷原子(rubidium)被制备在一个叠加态中(在这种情况下,可以说体系是同时处在两个地方),当叠加态被破坏,就会产生如图所示的带状结构,即叠加态中的各个成分之间产生了干涉。根据最新的计算,宇宙中的引力辐射或许打破了大尺度物体的量子相干,这在宇宙中是一种自发的普适过程。图片来自美国国家标准与技术研究院(NIST)。
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M. P. Blencowe
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