薛定諤的小貓咪們長大了

? Clayton Junior

利維坦按：

1935年，奧地利物理學家薛定諤提出了那只著名的貓：被關在箱中的它，在量子理論的邏輯下似乎同時處于“活著”與“死亡”的疊加狀態。這一思想實驗原本是為了揭示量子力學的荒誕之處，但近一個世紀后，科學家們卻開始認真地制造屬于現實世界的“薛定諤小貓”。

從微弱光場中的量子疊加態，到由數千億個粒子共同構成的宏觀量子系統，研究者不斷將量子效應推向越來越大的尺度：當“量子小貓”逐漸成長為接近肉眼可見的龐然大物，它們不僅挑戰著我們對現實本質的理解，也成為檢驗引力、時空乃至宇宙基本規律的重要工具。

1935年，埃爾溫·薛定諤實在忍無可忍了。

十年前，這位大膽的維也納物理學家憑借他的“波動方程”徹底改變了量子力學這門新興理論，描述了量子粒子如何能像波一樣運動。此后，他眼看著一些研究者借用他的理論，炮制出他認為荒誕不經的量子理論詮釋——這種詮釋似乎否認了原子或亞原子粒子等量子客體在被觀測之前的實在性。

薛定諤給同為懷疑者的阿爾伯特·愛因斯坦寫了一封信，在信中描述了一個思想實驗：一個量子事件可能會、也可能不會殺死一只藏在箱子里的貓。薛定諤說，假設這只貓在被觀測之前既是活的又是死的，而僅僅是觀測這一行為就能迫使自然做出非此即彼的選擇——這是多么荒唐啊！

通過使量子行為能夠影響足夠大的物體，以至于我們能夠看到、甚至觸摸——薛定諤想要揭示賦予觀測行為“召喚實在”之力量的荒謬性。

1934年8月，薛定諤圣地亞哥－德孔波斯特拉。? CCCB

一個世紀以來，這個思想實驗持續引發關于量子理論中“測量”或“觀測”究竟意味著什么的爭論。它向實驗物理學家們提出了挑戰：我們能把物體做到多大，才能在它們的行為方式中發現奇特的量子特性——既非此也非彼？我們能否將哪怕不是一只貓、至少是某些相當大的無生命物質團塊（有人戲稱之為“薛定諤的小貓咪”）置于那種奇特的量子“疊加態”之中？

這絕非單純的學術問題。

去年的諾貝爾物理學獎授予了那些在1980年代證明超導導線回路中可以制造疊加態的研究者——這類元件如今已被用作谷歌、IBM等公司量子計算機中的量子比特。這些量子計算機通過將信息表示為二進制0和1的疊加態來進行處理，從而實現驚人的計算速度。

歸根結底，對“薛定諤的小貓咪”的實驗，是在探究量子理論本身的邊界。這個世界是否從頭到尾都是量子的，只是隨著尺度和質量的增大，那些奇異的量子效應愈發難以察覺？或者是否像某些研究者所認為的那樣，存在一個臨界點，量子力學在那里失效，只有舊式的經典物理學才能描述世界？

如今，一些研究者正致力于制造由微小晶體構成的“薛定諤的小貓咪”——這些晶體的大小幾乎接近塵埃顆粒，或許有助于解答宇宙中的基礎性問題。如果這些微小顆粒擁有足夠的質量，能夠通過引力相互感知彼此，那么將它們置于精妙的量子疊加態，或許就能提供一種方法，用來檢驗引力是否能夠——正如大多數研究者所相信卻缺乏確鑿證據的那樣——獲得量子力學的描述。而它們那岌岌可危的量子態，也可能提供一種靈敏的方法，用來探測那些被提出用以解釋神秘暗物質的難以捉摸的粒子——暗物質似乎彌漫于整個宇宙。

貓咪進攻哥本哈根

薛定諤為何如此憤慨？自從1925年德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）給出量子力學的第一個數學表述（隨后薛定諤于1926年初提出了另一種形式——波動力學），海森堡及其他人，尤其是他在哥本哈根的導師尼爾斯·玻爾（Niels Bohr），便一直聲稱這一理論迫使我們重新審視“實在”這一概念本身。根據量子力學的“哥本哈根詮釋”，該理論所能告訴我們的，僅僅是我們在觀測一個量子系統時，觀測到某些實驗結果的概率。

一般而言，該理論預測測量可能產生多種結果，每種結果都有明確定義的概率。在被觀測之前，一個量子客體——比如原子或亞原子粒子——不能被認為處于其中任何一種狀態；它們以某種方式混合在一起，處于疊加態之中。只有當我們觀測一個最初處于空間疊加態的客體時，選擇才會發生，它才獲得一個確定的位置。

? Library of Congress

玻爾和他的同事們堅持認為，我們必須接受這就是量子世界運作的方式。測量以某種方式從此前僅僅是一系列可能世界中，創造出確定的結果——即現實的要素。在薛定諤的時代，人們通常把疊加態說成是“同時處于多種狀態或多個地方”，盡管這并不是最準確的表達方式：疊加態其實只是意味著，幾種被觀測到的結果都是有可能發生的。

“測量本身居然能產生現實”這種看似魔幻的外在效應，以及“物體在被觀測前可能同時具有多種狀態”的觀點，讓薛定諤和愛因斯坦都感到難以接受。這似乎否定了任何預先存在的、客觀的現實，與科學家們一直以來所奉行的基本假設背道而馳。

薛定諤正是通過想象這樣一個實驗來闡明這一概念有多么瘋狂，甚至多么不合邏輯：某個概率性的量子事件——例如原子的放射性衰變（這可能在任何時刻發生）——觸發了一連串事件，最終導致盒子里的貓死掉了。如果在我們打開盒子查看之前，該原子處于“已衰變”和“未衰變”的疊加態，那么這只貓就必須處于“活”與“死”的疊加態。

德國杜伊斯堡-埃森大學的物理學家克勞斯·霍恩伯格（Klaus Hornberger）致力于納米尺度物體的量子物理學研究，他表示：“這個思想實驗至今仍在告誡我們，一旦將觀測者納入描述之中，量子力學就會顯得極其荒謬。”

? Allison Filice

在薛定諤的時代，想象一個亞原子粒子同時處于“兩個地方（或狀態）”似乎并沒有那么具有挑戰性，因為在那個年代，反正也沒人指望能對它們進行單獨觀測。但是，通過將這一概念放大到宏觀尺度，并將其應用到一種非此即彼的屬性上（任何東西怎么可能同時既活又死呢？），薛定諤實際上是在加大籌碼，以揭露哥本哈根學派否定“預先存在的客觀現實”這一觀點的荒謬性。

然而，現在的許多物理學家對這個思想實驗的看法略有不同。

我們如今不僅知道量子疊加態是真實的，而且自20世紀70年代以來的實驗表明，在進行測量之前，觀測結果似乎確實是未知的。

盡管如此，在我們日常的尺度上，無論我們看與不看，物體似乎確實要么是這、要么是那，正如經典物理學所假設的那樣。那么，量子究竟在何時轉變為經典？是隨著物體變大，量子疊加態只是變得越來越難被察覺，還是存在某種更根本的原理，禁止出現像薛定諤的貓一樣大的量子疊加態？

會波動的物質

疊加態通常是脆弱的。根據量子力學，觀測會摧毀它們——但這其實并不是“我們看與不看”的問題。只要有關物體狀態的任何信息泄露到其周圍環境中，并存在被探測到的可能，就足以摧毀疊加態：這完全取決于“觀測是否可能發生”。如果一個光子從該物體上反彈開，或者物體自身發射出了一個光子，我們就有可能通過觀測這個光子來推斷出物體的位置——而這就會摧毀疊加態。

這種由于與環境相互作用而導致的量子狀態信息“泄露”，以及隨之而來的“量子性”毀滅，被稱為退相干（decoherence）。物體體積越大，就越難抑制這種相互作用。大多數研究人員認為，這就是為什么在宏觀尺度上極難觀察到量子效應的原因：并不是因為量子效應在大物體上本質上不穩定，而是因為大物體很難被孤立并屏蔽掉退相干的影響。

黑暗中的閃光：中央明亮的圓點是一個二氧化硅納米顆粒，它在真空中通過電場被懸浮起來。它的熱抖動已被極大地抑制，以至于其有效溫度僅比絕對零度高出百萬分之幾開爾文，正處于可能的最低量子能量狀態：基態。? Aspelmeyer Group / University of Vienna

觀察原子處于疊加態相對簡單。一種方法是在著名的量子雙縫實驗中使用它們：將一束粒子射向屏幕上兩個靠得很近的狹縫。薛定諤方程將所有量子對象描述為類波實體——而波的一個關鍵特性就是它們可以相互干涉，其波峰和波谷會相互放大或抵消，從而創造出干涉圖樣。

在雙縫實驗中，從每個狹縫中發出的波之間產生的這種干涉，會在遠端探測到的粒子上形成一個特征圖樣：表現為一系列探測到大量粒子的“亮”條紋，以及幾乎沒有探測到粒子的“暗”條紋。原子波的干涉在20世紀90年代初首次被證實。它只有在粒子處于疊加態時才會出現；也就是說，粒子可以被認為“同時穿過了兩個狹縫”并與自身發生干涉。如果去測量每個粒子穿過了哪個狹縫，疊加態就會被摧毀——干涉圖樣也會隨之消失。

我們能把這類實驗的尺度放大嗎？整個分子也會表現出這種行為嗎？1999年，現處于構建宏觀量子疊加態實驗工作最前沿的維也納大學學者馬庫斯·阿恩特（Markus Arndt）——當時他還在未來的諾貝爾獎得主安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團隊中工作——證明了由富勒烯分子（每個分子包含60個碳原子，連接成中空的球狀籠結構）制成的物質波確實會顯示出干涉現象。

從那時起，阿恩特一直在更龐大的分子中展示干涉現象。2019年，他的團隊報告了包含多達2000個原子、質量達25,000道爾頓（1道爾頓大約是一個質子或中子的質量）的有機分子的量子疊加態。在這些實驗中，粒子通常不是射向雙縫，而是射向由光本身制成的平行狹縫網格：激光束被制備成“駐波”，在反射鏡之間來回彈跳，從而創造出光和暗的干涉圖樣。

不過，制造一個“大”的空間位置疊加態，并不僅僅取決于使用龐大的物體。它還取決于這兩個可觀測的位置狀態（即物體的質心）之間相隔多遠。為了衡量這一尺度，霍恩伯格引入了“宏觀度”（macroscopicity）的概念。

他說：“宏觀度數值量化了一個量子效應對經典物理學家來說有多么令人困惑。”打個比方，如果你為一個高爾夫球制造了一個疊加態，其中兩個位置的差異小于一個原子的寬度，那么它的宏觀度可能還不如一個“這里”在紐約、“那里”在舊金山的富勒烯分子的疊加態。

去年，阿恩特的團隊與霍恩伯格合作，報告了量子物體宏觀度的新紀錄。他們展示了可以為直徑約8納米、包含約7000個原子的微小鈉晶體創建疊加態。這兩個疊加位置的質心相距達133納米——這超過了粒子自身尺寸的10倍。

霍恩伯格認為，要為質量比鈉納米晶體大10倍左右的粒子產生物質波干涉，“將會變得非常艱難”。他懷疑，要放大到這個水平，可能需要一種不同的方法：讓納米顆粒懸浮并對其進行冷卻，使其處于最低的量子能量狀態（基態）。

維也納大學的馬庫斯·阿斯佩爾邁耶（Markus Aspelmeyer）正率先開展這方面的研究。2020年，他和同事們報告稱，他們已經將直徑約150納米、包含約1億個原子的二氧化硅顆粒冷卻了下來，使其至少有70%的時間處于基態，而不是因熱振動而被推入更高能態。為了實現這一點，他們利用光阱將這些顆粒懸浮在強激光場中。

次年，阿斯佩爾邁耶團隊以及瑞士蘇黎世的另一個研究小組表明，如果放棄光阱，轉而單純利用光施加微小的推力來保持顆粒的位置，他們可以讓這些顆粒變得更冷，并更穩固地鎖定在基態中。然而，想要引導如此巨大的物質塊進入疊加態則是另一回事，目前還沒有人能夠做到。

不過，阿恩特對此持樂觀態度。他表示：“我們看到了在未來幾年內，讓質量在數千萬道爾頓范圍內的顆粒實現［疊加態］的切實可行路徑。與我們目前用鈉金屬顆粒創造的世界紀錄相比，這‘在質量上已經是百倍的提升，而在宏觀度上更是提高了多達六個數量級’。”

尋找量子引力

測試越來越大的“薛定諤小貓”的一個原因在于，它們可能會向我們展示，量子力學本身在我們達到宏觀尺度之前就已經失效了。長期以來，一些研究人員一直懷疑可能會發生這種情況。

在匈牙利物理學家拉約什·迪奧西（Lajos Diósi）和英國數學家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）各自獨立提出的一種理論中，處于疊加態的量子對象會自發地“坍縮”到一個明確的位置，且坍縮的概率隨著物體變大而增加。這意味著在某種尺度下，無論我們做什么，坍縮都將變得不可避免。彭羅斯認為，這種坍縮是必要的，以防止量子力學與廣義相對論（愛因斯坦于1916年構想的引力理論）發生沖突。

焦點之中的物質波：一個由計算機生成的、處于離域狀態（delocalized state）的鈉原子團簇示意圖。在這種狀態下，描述這些原子位置的波函數在空間中會發生某種程度的彌散。只有當該團簇進入“聚光燈”下、使其位置被測量時，這些原子才會獲得確定的位置。? 維也納大學Arndt研究組

在愛因斯坦的理論中，大質量物體會使時空本身發生形變，從而迫使其他物體沿著特定軌跡運動，而這些軌跡發生偏折的方式，恰恰與我們傳統上所稱的“萬有引力”相吻合。彭羅斯所擔憂的是，當物體的質量大到足以產生顯著的引力時，其所處兩個位置的疊加態將會產生兩種截然不同的時空幾何結構——這種情況理應牽涉到極其巨大的能量。為了避免這種令人無所適從的局面發生，自發坍縮會在這種尷尬境地出現之前，提前關閉疊加態等量子效應。

但也許量子力學與廣義相對論之間并不存在沖突，因為引力本身就像電磁力一樣，也是一種量子化的力。盡管我們目前還缺乏一個既能兼容量子力學又能兼容廣義相對論的量子引力理論，但大多數物理學家認為，引力在本質上確實是量子的。1957年，物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）首次提出了這一觀點。費曼甚至設想了一個思想實驗來驗證這個想法——但他當時從未想過，未來竟然真的有可能開展實際的實驗。

然而，實驗是尋找答案的唯一途徑。“我完全沒有理由相信，我們對于引力推定的量子本質已經有了一個完整的認識，”阿恩特說，“就我個人而言，如果量子理論的原理在更大的尺度上崩塌，我反而會感到震驚。”

阿斯佩爾邁耶表示，證明這一點的目標是去制造“具有足夠質量以產生可測引力場，且具有足夠離域性［即處于具有足夠大宏觀性的疊加態中］的系統，使得這些引力現象無法再用經典的廣義相對論來描述”。他和同事們提出了一種非正式的度量標準，用于衡量此類物體在探索量子引力方面的效用，這在某種程度上類似于霍恩伯格的“宏觀度”，他們向薛定諤致敬，將其稱為“量子貓性”（quantum cattiness）。

利用具有“量子貓性”的物體來探測量子引力的一種方法在20年前就被提出了：即觀察是否能利用引力相互作用來產生一種被稱為“量子糾纏”的奇異量子效應。

這或許是所有量子現象中最令人困惑、最反直覺的一種。正如愛因斯坦在1935年指出的那樣，如果兩個量子物體發生相互作用——即它們以某種方式“感受到”彼此的存在——那么根據量子力學，在此之后它們的操作本質上將像一個單一的量子實體：這兩個原本獨立的物體已經變得糾纏在了一起。

這會帶來匪夷所思的后果。例如，我們可以通過觀察其中一個物體來發現另一個物體的屬性。愛因斯坦認為，如果哥本哈根詮釋是正確的，且量子屬性在被觀察之前都是不固定的，那么這似乎意味著，在某一處對糾纏對中的一個進行觀察，會瞬間影響到另一個，無論它們相距多遠。這種瞬時的“幽靈般的超距作用”是被愛因斯坦的狹義相對論所禁止的，愛因斯坦認為這一明顯的悖論表明，量子力學并不能構成物理現實的完整解釋。

但事實上，量子糾纏并不需要超距作用，因為糾纏在一起的兩者根本不是獨立的實體。它們的屬性已經變得“非定域”（nonlocal）了：不再固定于粒子本身。盡管這看起來很古怪，但如今它已經被無數次實驗所證實。

同樣是在1935年，正是薛定諤將這種現象命名為“糾纏”（entanglement）。它之所以能被用來尋找量子引力，是因為兩個物體通過相互作用而發生糾纏的幾乎唯一途徑，就是這種相互作用力本身必須是量子化的。因此，如果兩個質量塊能夠僅僅通過它們的引力產生糾纏，那將成為引力具有量子屬性的鐵證。

然而，觀察這種引力誘導糾纏的挑戰在于，粒子必須足夠大，以便它們之間的萬有引力足夠強到能產生影響，但又不能太大，以至于無法將它們維持在量子狀態中。

倫敦大學學院的物理學家蘇加托·博斯（Sougato Bose）及其同事在2017年提出了一項實驗：將兩個納米晶體置于疊加態中，同時保持足夠的距離（約100微米），使它們感受不到彼此的電磁場，而僅通過引力發生相互作用。位置的疊加意味著不同粒子位置的引力相互作用也會有所不同，從而產生可測量的干涉效應。

博斯說，要將如此大質量的物體維持在疊加態中，必須確保它們與周圍環境中的任何相互作用都做到極好的隔離。一個氣體分子或一個光子的撞擊，都可能足以讓這種疊加態坍縮。因此，它們必須在極高真空的環境中被懸浮起來，并屏蔽任何雜散電磁場。

阿斯佩爾邁耶指出，提高薛定諤小貓的“引力貓性”的核心挑戰在于，“將我們現有的量子控制技術擴展到更大的質量上”，并減少由于氣體分子撞擊或雜散電磁輻射引起的退相干。阿恩特說，盡管技術要求極為嚴苛，但通過這種方式檢驗量子化引力的想法是非常值得追求的。

那么，萬物從微觀到宏觀真的都符合量子規律嗎？“我找不到任何令人信服的理由，說明量子理論的定律會在某個宏觀尺度上失效，”霍恩伯格說，“但我們確實不知道，而且有充分的理由懷疑，一旦廣義相對論開始介入，將會發生根本性的改變。”但他補充道：“我相信，如果量子理論有朝一日被更基本的理論所取代，我猜那個理論會更加瘋狂。”

沒有極限？

就在近一個世紀前，薛定諤想要尋找一個極端的場景，以揭露在他看來哥本哈根力學詮釋所存在的缺陷。而他最終所做到的遠不止于此。他推動了幾代物理學家去更深地探究自然本身那搖擺不定的本質。

阿恩特表示，如今科學家們去制造體型越來越大的“薛定諤的小貓”，這一現代追求在尋找暗物質的探索中可能會大顯身手——暗物質是科學家為了解釋維持旋轉星系不致分崩離析所必需的“額外”引力而提出的。許多研究人員認為，這種推定的隱形物質是由未知的、極難捕捉的粒子組成的，但目前還從未有人見過這種粒子。

然而，如果暗物質粒子與普通物質之間存在哪怕極其罕見的相互作用，它們的存在是否會因為觸發了脆弱疊加態的坍縮而暴露出來？大型物體微妙的疊加態，或許還能揭示出除了已知的四種自然基本力之外的全新力量，例如一些物理學家長期以來懷疑存在的“第五種力”。如果這種第五種力將一個疊加態與其環境耦合起來，就可能會誘導其坍縮。

? nautil

那么那只貓本身呢？對于一個有呼吸、有生命、有思想的生物體如果被置于疊加態會是一種什么樣的感覺（如果有感覺的話），當今的物理學家依然被這個問題所吸引。拋開倫理問題不談，科學家們未來真的能做薛定諤當年的原始實驗嗎？鑒于生命本身還沒有一個明確的量子定義，一個“又活又死”的疊加態到底意味著什么其實并不明朗。但我們至少能否將細菌這種微小的活體生物置于位置的疊加態中呢？

阿恩特認為這或許是可能的，至少對病毒來說是這樣。“如果我們能獲得資金支持，我們一定會盡最大努力去實現它，”他說，“挑戰非常多，但并非不可能。”

那么，再接下來是一個活體細胞嗎？他微笑著說：“再給我點時間思考一下吧。”

文/Philip Ball

譯/tamiya2

校對/tim

原文/nautil.us/schrodingers-kittens-are-all-grown-up-1281010

本文基于創作共享協議（BY-NC），由tamiya2在利維坦發布

文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場