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薛定谔猫变身薛定谔细菌?科学家首次发现宏观量子纠缠!



很多人可能都听说过“薛定谔的猫”,但薛定谔的猫究竟是什么,相信这知道的人中又有很多人是根本不知道的。薛定谔的猫是量子力学的思想试验,是为了说明量子叠加态,即一只猫可以同时即死又活而设置的。这只倒霉的猫被放在盒子里,旁边有一个有50%几率衰变的原子,控制着毒气——原子衰变,毒气释,猫死;未衰变,猫活。问题是我们打开盒子之前,怎么知道猫是死的还是活的呢?所以猫是处于既死且活的叠加态。

事实上,薛定谔的猫根本就不存在,因为它只是一个思想实验,没有人能真的弄一只猫关在盒子里来做这个实验。因为猫是宏观存在,而量子纠缠和叠加是微观现象,虽然可以拿来做比喻,却没有任何办法结合在一起。



聪明如你肯定马上想到了,既然如此,那宏观和微观之间总会有一个分界线,应该是两者可以交集的。如果在这个分界线上放一个既宏观又微观的家伙,能不能观察到它既死又活要死不活不死也不活的“叠加态”或“纠缠态”呢?

牛津大学量子物理学家基娅拉·马莱托当然也意识到了这一点,她领导了一项研究,对谢菲尔德大学戴维·科尔斯及其同事2016年的一项实验进行了分析,宣称发现了细菌与光粒子之间泣尽意绝缠绵悱恻的纠缠故事,研究成果发表在10月《物理通信杂志》上。

科尔斯团队在2016年的实验中,将几百个光合绿色硫细菌隔离在两个镜子之间的空隙里,空隙间隔只有数百纳米,比人类头发丝还小。研究人员将白光射入镜子之间,不断反射,希望让细菌体内的光合分子与腔体结合或相互作用,不断吸收、释放并重新吸收反射的光子,实验表明,以这种方式配对的细菌达到了6种——这些细菌真的是“菌坚强”了,如此折磨都不死,还可以和科学家们一起莺歌燕舞做试验。



马莱托团队认为,这些细菌不但与腔体结合在一起,它们产生的能量特征还表明,这些细菌的光合系统可能已经与腔体内的光纠缠在一起了,某些光子似乎同一时间在细菌内既击中又离开了光合分子——这不是量子纠缠的典型特征吗?研究人员称这是首次在生物体内发现纠缠现象。

不过这项研究并未得到广泛认可。一是实验中的纠缠证据是间接的,取决于人们如何解释光线从空隙内的细菌中流进流出,马莱托也承认,无须量子效应的经典模型也可解释实验结果,一个更现实的“半经典”模型也未能重现实验结果;二是细菌和光子的能量是一起测量的,而不是独立测量,无法证实它们之间的量子纠缠是真实的。

尽管存在诸多问题,一些科学家还是乐观地认为,量子效应从微观世界向现实世界过渡只是时间问题,此前的实验已在生物体外的分子中表现出量子效应,在细菌甚至我们人体内寻找类似分子的量子效应,似乎也不应该是完全不可能的事。



一些研究小组已经准备找地球上生命力最旺盛的小强——水熊虫帮忙,它比细菌大数百倍,又怎么杀都杀不死——高温、高压、真空、辐射……你要遇到任何一种,马上就会一命呜呼。如果在它身上能发现量子效应,量子纠缠运用于宏观物体的前景就可能极为美好了。不用我说你也知道了,《星际迷航》中的光束传送,可以把人体粒子打散,瞬间传送到超远距离之外的地方重新组装起来,到时候金库、监狱什么的都完全不在话下了。

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