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微观与宏观的界限






根据物理学目前的理论,退相干过程正是微观世界向宏观世界转换的过程,这个过程涉及到量子信息向周围环境的扩散。退相干理论从20世纪80年代发展起来,成为物理学研究的热点问题一直至今。但是,关于微观世界与宏观世界的界限问题,还远没有定论,科学家们使越来越多的“宏观物体”显示出了量子态,而量子世界的本质却还没有显现出来。


物理学家迈尔斯·布伦科(右)利用这台稀释制冷机论证量子力学在宏观世界里的作用


物理学中有一种“假想实验”,这种实验并不需要在现实中真正地操作完成(或者是在现实中无法进行),它可以通过人类的思维过程来完成,这种实验是通过人对于自然界的经验和逻辑推理进行的。世界上最著名的假想实验可能就是伽利略的斜坡实验:一个小球从斜坡上滚下来,之后再攀爬上坡度不等的斜坡。在表面光滑不考虑摩擦的情况下,小球攀爬的斜坡坡度越小,它的运行距离也就越远,我们因此可以推论,当小球在坡度为零的光滑平面上不受阻碍滚动的时候,理论上它运动的距离是无限大,也就是说它将永远运动下去。这个假想实验用来证明物体的运动性质——在不受外力作用的情况下,物体将保持自身的运动状态不变。它推翻了之前亚里士多德的物体只有受力才会运动的观念,并在后来被牛顿总结为牛顿第一定律。


但是也有一些假想实验,人类却无法通过对于自然界的经验和逻辑推理完成,并且可以使人长时间陷入某种悖论中,其中最著名的莫过于物理学家埃尔文·薛定谔提出的“薛定谔的猫”实验,这个实验几十年来一直使物理学家们陷入尴尬的境地。两个不同的假想实验,之所以会出现完全不同的结果,就因为前者需要人们对于宏观世界的经验——在这方面人类完

全没有问题,在某些方面,比如物体运动的连续性,人类对其的认知似乎是与生俱来的;而后者则需要对于微观量子世界的理解,人类对于量子世界的探索刚开始,而在量子世界中所展示的,大多都违背人类的直觉和常识,这使得人类无法进行涉及微观量子世界的假想实验,也就因此容易陷入悖论。


人类在进入了量子世界之后,马上意识到在宏观世界和微观世界之间存在着一个界限——量子世界的离奇现象并不会影响到宏观世界,这个界限保护着人们已经习以为常的在宏观世界中的物理定律和生活方式,因此我们从来不用担心家中的椅子因为量子叠加态,同时出现在不同的地方。


物理学家埃尔文·薛定谔


可是宏观世界中物质的“经典”性质,并不是物质先验的,最基本的性质,也是由量子态转化而来的。只有当量子态与周围的环境发生“纠缠”,这个“子系统”的量子信息“泄露”到了周围的环境中,才使微观系统显现出它在宏观世界的性质,这个过程,就被称为“退相干”过程。从热力学的角度讲,这个“子系统”的熵值增大了。

虽然整个宇宙可能开始于一次量子现象,但是很明显的是,我们现在所居住的宇宙呈现的是“经典”的宏观状态,只有在极微小的尺度下才会显示出量子现象。量子世界与宏观世界的表现截然不同,其中最大的区别大概就在于量子“叠加态”,也就是说,一个微观粒子可能因为“叠加态”同时存在于几个位置,而这种状态在宏观世界中却从来没有出现过。究竟是什么使整个宇宙没有呈现出量子态?可能正是因为无所不在的连续的退相干过程,才使我们的宏观世界没有出现量子态,这也正是微观世界与宏观世界之间的界限。

如何理解这个在微观世界和宏观世界之间的界限?它们之间的界限到底在哪里?关于这个问题,2013年7月12日,美国达特茅斯学院的物理学家迈尔斯·布伦科(Miles Blencowe)在《物理评论快报》(PRL)杂志上发表论文《关于引力引发的退相干的等效场论》(Effective Field Theory Approach to Gravitationally Induced Decoherence)。布伦科认为,正是在宇宙大爆炸时形成的“宇宙背景引力波”,干扰了宇宙中的宏观事物,使它们没有出现量子叠加态。弥漫宇宙的背景引力波和宇宙微波背景辐射有相似之处,只是宇宙背景引力波的温度更低,略低于1开尔文(宇宙微波背景辐射的温度大约为4.3开尔文)。布伦科认为,正是这种弥漫在宇宙中无所不在的背景引力波,这种时空的微小褶皱,足以干扰到一定质能的物质的叠加态,使之只呈现出遵守物理学经典理论的性质。

微观与宏观世界的界限是否由宇宙背景引力波来划分,一个宏观的物体是否不会出现量子态?薛定谔的那只假想中同时处于“生”与“死”之中的猫到底有没有可能存在?始终有物理学家试图用各种方法真正实现“薛定谔的猫”实验,而这也正是检验微观世界与宏观世界分界线的最好方式。

“薛定谔的猫”假想实验之所以令物理学家陷入困惑,是因为薛定谔把一个微观世界的量子叠加态和宏观世界中的一只猫的生和死两种状态连接到了一起。一个处于量子叠加态的放射性原子,并没有与外部环境发生相互作用。而一只猫则不同,一只猫是由数量巨大的粒子组成的宏观生物,它不停地和外界环境发生相互作用。即使把一只猫装在一个封闭的盒子里,在理论上,人们仍然可以通过研究这只猫与外界环境相互作用产生的影响而断定猫的状态,这种连续的退相干过程保证猫始终处于宏观状态,而绝对不会出现“半死不活”的量子叠加态。

那么,一个微观系统究竟在多大程度上能够与一个宏观系统发生纠缠?最近有两组科学家在最大程度上模拟了“薛定谔的猫”实验。2013年7月23日,在莫斯科举办的第二届量子技术国际会议(Second International Conference on Quantum Technologies)上,一组来自加拿大、俄罗斯和伊朗的科学家继续探索着“微观和宏观世界的界限究竟在哪里”这个话题。他们通过模仿“薛定谔的猫”实验,使得人们此前从来没有想象过的“宏观”事物产生了量子现象。

在此之前,已经有过使“宏观”物体相互纠缠的实验。在来自加拿大卡尔加里大学的物理学家亚历山大·劳弗斯基(Alexander Lvovsky)和他的同事们进行的实验中,他们通过一个半透明的镜子使一个光子达到量子态——其中一个状态是这个光子通过了镜子,另一个状态是光子被镜子反射,而且他们使得光子的这两种状态相互纠缠。接下来,这组科学家通过激光使光子的其中一种状态被放大。这样,这种状态就被放大到了数以亿计的光子的范围——在理论上,这已经足够被人用眼睛直接看到,虽然实验中光的频率并不在可见光的范围之内。

也就是说,在这个真正的实验中,一个光子的量子态成功地和数以亿计的光子形成了纠缠状态(而且这种状态有可能被人眼直接看到),可以说,这个实验在最大程度上模拟了“薛定谔的猫”假想实验。这组科学家声称,这是人类第一次实现一个微观物体和宏观物体(数以亿计的光子)形成纠缠状态。劳弗斯基和他的同事们论述这个实验的论文《对于微观-宏观光线纠缠态的观察》(Observation of micro-macro Entanglement of Light)在2013年7月21日发表在《自然·物理学》杂志上。而在同时,另一组来自瑞士日内瓦大学的科学家也实现了类似的实验。尽管数以亿计的光子尚且不能和一只真实的猫相提并论,但是,这个数量级,也许算得上是“一只小猫咪”——来自美国麻省理工学院的物理学家塞思·劳埃德(Seth Lloyd)这样评价道。

根据物理学目前的理论,退相干过程正是微观世界向宏观世界转换的过程,这个过程涉及到量子信息向周围环境的扩散。退相干理论从20世纪80年代发展起来,成为物理学研究的热点问题一直至今。但是,关于微观世界与宏观世界的界限问题,还远没有定论,科学家们使越来越多的“宏观物体”显示出了量子态,而量子世界的本质却还没有显现出来。

(本文参考了《新科学家》、《物理评论快报》和《自然》等杂志的相关报道






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