埃尔温·薛定谔 |
1935年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了一个思想实验，这个实验一直令哲学家津津乐道，并让爱猫人士感到震惊。现在，科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究院 (NIST) 的四位研究人员已经使用带正电的原子——是的，用科学术语来说是“阳离子”——铍，而不是活猫，进行了臭名昭著的“薛定谔的猫”测试。
虽然阳离子比猫小得多，但它仍然比通常表现出奇异量子行为的电子、光子和其他粒子大得多。在5月24日出版的《科学》杂志上的一份报告中，NIST 团队表示希望他们的“介观系统可以为经典世界和量子世界之间模糊的边界提供一些见解。”
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薛定谔设计了猫实验，以说明量子领域与我们居住的宏观日常世界截然不同。他自己已经证明，像电子这样的粒子以多种可能的状态存在，每种状态的概率都包含在一个称为波函数的方程中。例如，对于放射性物质的原子，原子在给定的时间内具有一定的衰变概率。
根据我们的“经典”直觉，我们会认为只有两种可能性：要么原子已经衰变，要么原子还没有衰变。然而，根据量子物理学，原子同时存在于两种状态。只有当观察者实际尝试通过测量来确定原子的状态时，波函数才会“坍缩”，原子才会呈现出其可能的两种状态之一：衰变或未衰变。
薛定谔推断，这种概率行为也可能存在于宏观世界中，即使我们很少意识到它。他想象一个盒子，里面有一个原子，它在一个小时内有 50% 的可能性衰变，一个辐射探测器，一个装有毒气的烧瓶和一只猫。当原子衰变时，盖革计数器将触发一个开关，使锤子砸碎烧瓶，释放出气体并杀死猫。当实验者在一个小时后打开盒子盖并向里面看时，他或她会发现原子完好无损或已衰变，猫活着或死了。但是，根据量子力学，在打开盖子之前的这段时间里，猫存在于两种叠加状态：既是死的又是活的。
在 20 世纪 80 年代，已故理论家约翰·贝尔提出了一个更易于接受的薛定谔实验版本，其中原子的衰变导致一瓶牛奶洒到地板上；因此，叠加态的猫是饥饿的或饱腹的，而不是活着的或死去的。但是，无论哪个版本都显得非常荒谬：从量子物理学的角度来看，结果似乎是合乎逻辑的，但常识告诉我们，猫不可能同时是活着的又是死去的（或饥饿的又是饱腹的）。
薛定谔的猫悖论引发了理论物理学家和哲学家之间的激烈辩论。尽管一些思想家认为猫实际上确实存在于两种叠加状态，但大多数人认为叠加只发生在量子系统与其余环境隔离时。人们已经提出了各种解释来说明这种悖论——包括猫，或者仅仅是动物的物理环境，可以充当观察者的观点。
问题是，在哪个点或尺度上，量子领域的概率规则让位于支配宏观世界的确定性定律？NIST 团队最近完成的工作生动地揭示了这个问题，该团队包括克里斯托弗·门罗、道恩·米克霍夫、布赖恩·金和大卫·温eland。该小组将带电的铍原子限制在一个微小的电磁笼中，然后用激光将其冷却到最低能量状态。在这种状态下，原子位置及其“自旋”（一种量子特性，仅在比喻意义上类似于普通意义上的自旋）可以在非常高的精度范围内确定，精度受到海森堡不确定性原理的限制。
然后，工作人员用激光刺激原子，使其波函数发生变化；根据原子新的波函数，它现在有 50% 的概率处于初始位置的“自旋向上”状态，并且有相同的概率处于距初始位置远达 80 纳米的“自旋向下”状态，对于原子领域来说，这确实是一个巨大的距离。实际上，原子同时处于两个不同的位置以及两个不同的自旋状态——相当于一只猫同时活着和死去。
（NIST 研究人员实现其目标的决定性证据来自他们对干涉图样的观察；这种现象清楚地表明，单个铍原子产生了两个不同的波函数，并且它们相互干涉。）
NIST 研究人员正在计划实验，以更深入地探究叠加系统“退相干”的过程，即它们失去分裂状态的特性，并让位于更平凡的经典行为。门罗说，他和他的同事希望将单个离子诱导到三种或更多种状态的叠加态，并在同一个阱中操纵两个或多个离子。
如果过去的经验可以作为借鉴，那么这些实验将不会解决量子力学的奥秘，而只会突出它似乎与我们通常的期望有多么深刻的矛盾。正如尼尔斯·玻尔喜欢谈论量子力学时所说的那样，“如果你认为你理解它，那只能说明你根本不了解它。”