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当你认为你已经听过所有可能的量子谜团时,又冒出了一个新的谜团。杰夫·托拉森在最近的基础问题研究所会议上的演讲中顺便提到了它。托拉森可能认为我们都听过了。毕竟,他的研究生导师亚基尔·阿哈罗诺夫——他以杰出的职业生涯,不断探索薛定谔方程,看会跑出什么野兽——在20世纪90年代首次发现了它,并在他2005年的著作《量子悖论》第17章中讨论了它。但对我来说,这是个新概念。
这种情况是对薛定谔思想实验的详细阐述。你有一只猫。它要么发出呼噜声,要么发出喵喵声。它蜷缩在两个盒子中的一个里。正如薛定谔的场景一样,你将猫与一些量子系统(如放射性原子)耦合,使其状态变得模糊——所有可能性的叠加——直到你检查其中一个盒子。如果你伸入盒子2,你会感觉到猫。如果你听盒子的声音,你会听到呼噜声。但是当你仔细听时,你会注意到呼噜声来自盒子1。猫在一个盒子里,呼噜声在另一个盒子里。就像一只柴郡猫一样,这只动物已经与构成一只猫的属性分离了。猫的行为和猫的本质不再一致。
在实践中,你会对电子而不是猫进行这种特技。你会发现电子在一个盒子里,它的自旋在另一个盒子里。即使按照量子力学的标准,这也很令人惊讶。这需要量子物理学家所谓的“弱测量”,即你与系统进行非常轻微的交互,以避免将其从量子态坍缩为经典态。从表面上看,这种交互几乎不能算作测量;任何结果都会在海森堡不确定性原理的噪声中丢失。阿哈罗诺夫意识到的是,如果你筛选结果,你可以找到隐藏在其中的模式。
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在实践中,这意味着在大量的电子(或猫)上重复实验,然后应用过滤器或“后选择”。只有少数粒子会通过这个过滤器,并且在它们之中,轻轻的测量的结果将会突出。
因为你避免了量子态的坍缩,所以仍然会发生诸如波干涉等典型的量子现象。因此,对于一只柴郡猫,你应用以下过滤器:你改变叠加中一个项的符号,导致电子的位置和自旋在一个盒子里发生相长干涉,在另一个盒子里发生相消干涉,从而使在盒子1中找到电子的概率归零,并使盒子2中电子的净自旋归零。瞧,电子在盒子2里,它的自旋在盒子1里。
如果这让你的头晕目眩,那应该是的。“弱”这个词不仅描述了测量,也描述了我对真正发生的事情的直观理解。我能做的最好的事情就是推荐阿哈罗诺夫、托拉森和桑杜·波佩斯库在去年11月《今日物理》上发表的关于弱测量的文章,但请做好多次阅读的准备,直到你对他们所说的内容有了一点点概念。我已经委托撰写一篇关于阿哈罗诺夫工作的文章,将在即将出版的《大众科学》中发表,以消除一些不确定性。与此同时,尝试坐在一个与你感到困惑的地方不同的房间里。