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物理學(xué)史上最著名思想實驗衍生出的各類研究，如今正在探尋宇宙的底層構(gòu)造。

1935年，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）再也無法忍受。

十年前，這位大膽的奧地利維也納物理學(xué)家憑借“波動方程”徹底改變了新興的量子力學(xué)理論，該方程闡釋了量子粒子如何表現(xiàn)出波的特性。此后，他目睹一些研究者利用他的理論，炮制出一套他認(rèn)為荒謬的量子理論解釋——這種解釋似乎否認(rèn)了原子或亞原子粒子等量子物體在被觀測之前的客觀存在。

薛定諤曾給他的同為懷疑論者的朋友阿爾伯特·愛因斯坦寫了一封信，信中描述了一個思想實驗：一只藏在盒子里的貓，可能會死，也可能不會死。薛定諤說，假設(shè)這只貓在我們觀察它之前既活著又死了，而僅僅是觀察這一行為就能迫使自然界在兩種狀態(tài)之間做出選擇，這簡直荒謬至極。

通過讓量子行為影響那些我們看得見、甚至摸得著的宏觀物體，薛定諤意在揭示“觀測行為決定實在”這一觀點的荒謬性。

像貓這樣的宏觀的物體是否也存在量子疊加態(tài)？圖源：Magnific。

一個世紀(jì)以來，這個思想實驗不斷引發(fā)學(xué)界爭論：在量子理論中，測量與觀測的本質(zhì)究竟是什么。它向?qū)嶒炍锢韺W(xué)家們發(fā)出了挑戰(zhàn)：物體的尺寸最大能到多少，還能保有非此非彼的奇特量子特性？即便沒法實現(xiàn)貓咪的量子疊加，我們能否把大塊無生命物質(zhì)（有人戲稱其為“薛定諤的貓”）置于這種奇特的量子疊加態(tài)之中？

這不僅僅是一個純理論問題。去年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了那些在20世紀(jì)80年代證明可在超導(dǎo)線圈中產(chǎn)生疊加態(tài)的研究人員：這類元件如今被用作谷歌和IBM等公司制造的量子計算機中的量子比特，這些計算機通過處理以二進(jìn)制1和0的疊加態(tài)形式表示的信息，從而實現(xiàn)了驚人的計算速度。

歸根結(jié)底，圍繞“薛定諤的貓”開展的實驗，目的是探尋量子力學(xué)的適用邊界。宏觀世界是否從微觀到宏觀全部遵循量子法則，只是隨著物體體積、質(zhì)量變大，量子效應(yīng)愈發(fā)難以觀測？還是說，正如一些研究者所認(rèn)為的那樣，存在一個臨界點，一旦超過該點，量子力學(xué)便不再適用，唯有傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)才能用來描述世界？

一些研究人員目前正試圖制造塵埃大小的微型晶體版 “薛定諤的貓”，這或許有助于解答宇宙中的基礎(chǔ)性問題。如果這些微小顆粒具有足夠的質(zhì)量，能夠通過引力相互作用，那么將它們置于精妙的量子疊加態(tài)中，就能驗證引力是否能夠被量子化描述（主流物理學(xué)家普遍持該觀點，但始終缺少實證）。同時，疊加態(tài)的不穩(wěn)定性，還能打造高靈敏度探測手段，搜尋用來解釋宇宙暗物質(zhì)的未知稀有粒子。

挑戰(zhàn)哥本哈根詮釋的“薛定諤的貓”

薛定諤究竟為何如此不安？1925年德國物理學(xué)家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）首次提出量子力學(xué)的數(shù)學(xué)表述（隨后在1926年初，薛定諤提出了另一種波動力學(xué)），此后海森堡及其導(dǎo)師、身處哥本哈根的尼爾斯·玻爾等人提出：量子力學(xué)顛覆了人類對“客觀實在”的固有認(rèn)知。根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，該理論僅能預(yù)判觀測量子系統(tǒng)時，各類實驗結(jié)果出現(xiàn)的概率。

通常，量子理論會給出多種測量結(jié)果，每種結(jié)果對應(yīng)確定概率。在被觀測之前，原子、亞原子等量子粒子并不處于任一確定狀態(tài)，而是多種狀態(tài)交融形成疊加態(tài)。只有當(dāng)我們觀測一個最初處于空間疊加態(tài)的物體時，才會做出選擇，它才會獲得一個確定的位置。

玻爾及其同事堅持認(rèn)為，我們必須接受量子世界就是這樣運行的。測量會從無數(shù)潛在可能性里篩選出唯一確定結(jié)果，也就是客觀現(xiàn)實。在薛定諤的時代，人們常將疊加態(tài)描述為同時處于多個狀態(tài)或位置，但該表述并不嚴(yán)謹(jǐn)：疊加態(tài)僅僅意味著在多個觀測結(jié)果中，任何一種都有可能出現(xiàn)。

“測量憑空創(chuàng)造現(xiàn)實、觀測前物體同時擁有多重狀態(tài)”的觀點，令薛定諤與愛因斯坦都難以認(rèn)同。這套理論仿佛否定了獨立于觀測之外的客觀實在，和科學(xué)界長久以來的基礎(chǔ)認(rèn)知相悖。

薛定諤通過設(shè)想一個實驗，生動地說明了這一觀念是多么荒謬，甚至是不合邏輯的：在這個實驗中，某個概率性的量子事件（例如原子的放射性衰變，這種衰變可能在任何時刻發(fā)生）會觸發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致盒子里的貓被毒死。如果在我們打開盒子查看之前，原子處于“已衰變”與“未衰變”的疊加態(tài)，那么這只貓也必然處于“活著”與“死去”的疊加態(tài)。

“只要把觀測者納入物理描述，這個思想實驗至今仍能直觀展現(xiàn)量子力學(xué)看似違背常理的一面?！钡聡乓了贡?埃森大學(xué)的物理學(xué)家克勞斯·霍恩貝格（Klaus Hornberger）說道。他主要研究納米尺度物體的量子物理學(xué)。

在薛定諤那個時代，人們尚且可以接受亞原子粒子“同時身處兩處、兼具雙態(tài)”，畢竟當(dāng)時人類無法單獨觀測微觀粒子。但通過將這一思想放大到宏觀尺度，套用到生死這種互斥屬性上（畢竟任何事物怎么可能同時既活著又死去呢？），以此放大矛盾，揭露哥本哈根學(xué)派否認(rèn)客觀現(xiàn)實預(yù)先存在的荒謬之處。

然而，如今許多物理學(xué)家對這一思想實驗的看法有所不同。我們不僅已經(jīng)知道量子疊加是真實存在的，而且自20世紀(jì)70年代以來，實驗表明，觀測結(jié)果似乎并非在測量之前就已經(jīng)注定。

盡管如此，在我們的日常尺度上，物體似乎確實非此即彼，無論我們是否觀察它們，這正符合經(jīng)典物理學(xué)的假設(shè)。那么，量子力學(xué)何時會轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典力學(xué)？隨著物體尺寸的增大，量子疊加狀態(tài)是否只是變得越來越難以察覺，還是存在某種更根本的原則，禁止像薛定諤的貓那樣龐大的物體處于量子疊加狀態(tài)？

物質(zhì)的波動性

疊加態(tài)通常十分脆弱。根據(jù)量子力學(xué)，觀測會破壞疊加態(tài)——但這其實并非取決于我們是否去觀察它。只要關(guān)于物體狀態(tài)的任何信息泄漏到環(huán)境中，且有可能被檢測到，就足以破壞疊加態(tài)：關(guān)鍵在于是否可能進(jìn)行觀測。如果一個光子從物體上反射出來，或者物體本身發(fā)射出一個光子，我們或許可以通過觀測該光子來推算出物體的位置——而這將破壞疊加態(tài)。

量子態(tài)因與環(huán)境相互作用而導(dǎo)致的信息“泄漏”，以及隨之而來的“量子性”的喪失，這一過程被稱為退相干。物體越大，就越難抑制此類相互作用。大多數(shù)研究人員認(rèn)為，這正是在大尺度上觀察量子效應(yīng)如此困難的原因：并非因為量子效應(yīng)在大物體中本質(zhì)上不穩(wěn)定，而是因為大物體難以被隔離并免受退相干的影響。

暗室中的光點：中央的明亮光點是一顆被電場懸浮在真空中的二氧化硅納米粒子。其熱振動已被大幅抑制，有效溫度僅比絕對零度高出幾百萬分之一開爾文，且處于可能的最低能量量子態(tài)：基態(tài)。圖源：Aspelmeyer Group / University of Vienna。

觀察處于疊加態(tài)的原子其實相當(dāng)簡單。一種方法是著名的量子雙縫實驗：在該實驗中，一束粒子射向屏幕上兩條間距很近的縫隙。薛定諤方程將所有量子物體描述為具有波動性的實體——而波的一個關(guān)鍵特性在于它們能夠相互干涉，其波峰與波谷會相互增強或抵消，從而形成干涉圖樣。

在雙縫實驗中，兩道狹縫各自發(fā)出的物質(zhì)波發(fā)生干涉，在接收屏形成明暗條紋：亮紋聚集大量粒子，暗紋幾乎沒有粒子。原子物質(zhì)波的干涉現(xiàn)象最早于20世紀(jì)90年代初被證實。這種現(xiàn)象僅在粒子處于疊加態(tài)時才會出現(xiàn)；也就是說，可以認(rèn)為它們同時穿過兩個狹縫，甚至與自身發(fā)生干涉。一旦測量粒子穿過哪個狹縫，疊加態(tài)就會被破壞——干涉圖樣隨之消失。

我們能否將此類實驗擴(kuò)大規(guī)模？整個分子是否也會表現(xiàn)出這種特性？1999年，維也納大學(xué)的馬庫斯·阿恩特（Markus Arndt）給出肯定答案。他如今處于制造大型量子疊加態(tài)實驗研究的前沿，當(dāng)時則在未來的諾貝爾獎得主安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團(tuán)隊中工作。他證明了由富勒烯分子構(gòu)成的物質(zhì)波確實會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這些富勒烯分子由60個碳原子組成，并連接成中空的球形籠狀結(jié)構(gòu)。

自那時起，阿恩特一直在更大規(guī)模的分子中演示干涉現(xiàn)象。2019年，他的團(tuán)隊稱，成功實現(xiàn)了由多達(dá)2000個原子組成的有機分子的量子疊加，其質(zhì)量高達(dá)25000道爾頓（1道爾頓約等于一個質(zhì)子或中子的質(zhì)量，即原子核中的粒子。） 在這些實驗中，粒子通常并非射向雙縫，而是射向由光本身構(gòu)成的平行縫柵陣列：激光束被制備成“駐波”，在鏡子之間來回反射，從而形成明暗交替的光學(xué)干涉圖樣。

不過，要形成“大”的位相疊加，不僅僅在于使用大型物體，還和疊加兩個狀態(tài)的質(zhì)心間距相關(guān)。為了衡量這一尺度，霍恩伯格（Hornberger）提出了“宏觀性”這一概念。

“宏觀性量化了某種量子效應(yīng)在經(jīng)典物理學(xué)家眼中有多么令人費解，”他說。例如，如果你為一個高爾夫球建立一個疊加態(tài)，其中兩個位置的偏差小于一個原子的寬度，那么它的宏觀性可能比富勒烯分子的疊加態(tài)還要低——后者的“此處”位于紐約，“彼處”則在舊金山。

去年，阿恩特的研究團(tuán)隊與霍恩伯格合作，報告了一項關(guān)于量子物體宏觀性的新紀(jì)錄。他們證明，能夠為直徑約8納米、含有約7000個原子的微小鈉晶體創(chuàng)造疊加態(tài)。兩個疊加位置的質(zhì)心相距達(dá)133納米——這一距離是粒子尺寸的10倍以上。

霍恩伯格認(rèn)為，對于質(zhì)量大約是鈉納米晶體10倍的粒子，要產(chǎn)生物質(zhì)波干涉“將變得非常困難”。他推測，要將實驗規(guī)模擴(kuò)大到這一水平，可能需要采用不同的方法：即讓經(jīng)過冷卻的納米粒子懸浮起來，使其處于盡可能低的量子能態(tài)（基態(tài)）。

維也納大學(xué)的馬庫斯·阿斯佩爾邁爾（Markus Aspelmeyer）正在這方面開展開創(chuàng)性研究。2020年，他和同事報告稱，他們成功將直徑約150納米、含有約1億個原子的二氧化硅微粒冷卻至其至少70%的時間處于基態(tài)，而非因熱振動而躍遷至高能態(tài)。為此，他們利用光學(xué)阱將這些微粒懸浮在強激光場中。

次年，阿斯佩爾邁爾的團(tuán)隊以及瑞士蘇黎世的一組研究人員證明，通過放棄光學(xué)阱，僅利用光線施加微小推力來維持粒子的位置，他們能夠使這些粒子變得更冷，并更穩(wěn)固地處于基態(tài)。但要將如此大塊的物質(zhì)誘導(dǎo)至疊加態(tài)則是另一回事，迄今為止尚無人實現(xiàn)。

不過，阿恩特對此持樂觀態(tài)度?！拔覀冋J(rèn)為，在未來幾年內(nèi)，實現(xiàn)質(zhì)量在數(shù)千萬道爾頓量級粒子的”疊加態(tài)“是切實可行的，”他說，“這與我們鈉金屬粒子創(chuàng)下的當(dāng)前世界紀(jì)錄相比，質(zhì)量將提高百倍，宏觀性將提高多達(dá)六個數(shù)量級?！?/p>

探尋量子引力

測試越來越大的“薛定諤的貓”的一個原因在于，它或許能向我們表明，在達(dá)到宏觀尺度之前，量子力學(xué)本身就會失效，不少物理學(xué)家長久以來抱有該猜想。

根據(jù)匈牙利物理學(xué)家拉約什·迪奧西（Lajos Diósi）和英國數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）獨立提出的某種理論，處于疊加態(tài)的量子物體將自發(fā)“坍縮”到一個明確的位置，其概率隨物體尺寸增大而增加，以至于在某種尺度上，無論我們采取何種措施，坍縮都將不可避免。彭羅斯認(rèn)為，這種坍縮是必要的，以防止量子力學(xué)與廣義相對論發(fā)生沖突——廣義相對論是愛因斯坦于1916年提出的引力理論。

在愛因斯坦的廣義相對論理論中，具有質(zhì)量的物體會使時空本身發(fā)生扭曲變形，讓周邊物體運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也就是經(jīng)典概念中的萬有引力。彭羅斯的顧慮在于：當(dāng)物體大到足以產(chǎn)生顯著引力時，空間位置疊加會生成兩套截然不同的時空幾何結(jié)構(gòu)，這需要無窮大能量支撐；而自發(fā)坍縮能提前終結(jié)疊加等量子效應(yīng)，規(guī)避該悖論。

聚焦物質(zhì)波：這是一組處于非局域化狀態(tài)的鈉原子簇的計算機模擬圖，其中描述原子位置的波函數(shù)在空間中呈一定程度的擴(kuò)散。只有當(dāng)該簇進(jìn)入探測區(qū)被測量時，原子才會獲得確定的位置。圖源：Arndt Group / University of Vienna。

但也許量子力學(xué)與廣義相對論之間并不存在矛盾，因為引力本身就像電磁力一樣，是一種量子化的力。盡管我們尚未建立起既與量子力學(xué)又與廣義相對論相容的量子引力理論，但大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為引力本質(zhì)上確實具有量子性質(zhì)。1957年物理學(xué)家理查德·費曼（Richard Feynman）最早提出這一觀點，他甚至提出了一個思想實驗來檢驗這一想法，但他從未設(shè)想過有朝一日能進(jìn)行真正的實驗。

而實驗是驗證猜想的唯一途徑。“我完全找不到任何理由相信，我們已經(jīng)對引力的所謂量子本質(zhì)有了完整的認(rèn)識，”阿恩特，“就我個人而言，如果量子理論的原則在更大尺度上失效，這將會顛覆我的認(rèn)知?！?br/>

阿斯佩爾邁爾表示，為了驗證這個猜想，要構(gòu)建具有足夠質(zhì)量以產(chǎn)生可測量的引力場，同時足夠去局域化（即處于宏觀性足夠大的疊加態(tài)），使得引力現(xiàn)象不再能用經(jīng)典廣義相對論來描述。他和同事們提出了一種非正式的衡量標(biāo)準(zhǔn)，用以評估此類物體在探索量子引力方面的實用性，該標(biāo)準(zhǔn)與霍恩伯格的宏觀性概念有幾分相似，他們向薛定諤致敬，將其稱為“量子貓性”。

二十年前，有人提出了一種利用“量子-貓”物體來探索量子引力的方法，即探究引力相互作用是否能產(chǎn)生一種被稱為“糾纏”的奇特量子效應(yīng)。

這或許是所有量子現(xiàn)象中最令人費解、最違背直覺的一種。正如愛因斯坦在1935年指出的那樣，如果兩個量子物體發(fā)生相互作用，也就是它們以某種方式“感知”到彼此的存在，那么根據(jù)量子力學(xué)，此后它們的行為本質(zhì)上將如同一個單一的量子實體：這兩個原本獨立的物體已經(jīng)發(fā)生了糾纏。

這會帶來一些奇特的結(jié)果。例如，我們可以通過觀察其中一個物體來推斷另一個物體的性質(zhì)。愛因斯坦認(rèn)為，如果哥本哈根詮釋是正確的，且量子屬性在被觀測之前并未確定，這似乎意味著：在某地對一對糾纏粒子中的一個進(jìn)行觀測，會瞬間影響另一個，無論它距離多遠(yuǎn)。這種瞬時的超距作用被愛因斯坦的狹義相對論所禁止，而愛因斯坦認(rèn)為，這一明顯的悖論表明量子力學(xué)并不完備。

但事實上，量子糾纏并不需要“超距作用”，因為糾纏的粒子對根本不是獨立的實體。它們的性質(zhì)已經(jīng)變得“非局域化”——不再局限于粒子本身。盡管這聽起來很奇怪，但這一現(xiàn)象如今已被實驗無數(shù)次證實。

1935年，薛定諤將這一現(xiàn)象命名為“量子糾纏”。 借助糾纏探尋量子引力的邏輯很清晰：只有相互作用力實現(xiàn)量子化，才能依靠作用實現(xiàn)粒子糾纏。因此，若僅憑萬有引力就能讓兩個質(zhì)量體產(chǎn)生糾纏，便可直接證明引力具備量子屬性。

然而，要觀測到這種由引力引起的糾纏，面臨的挑戰(zhàn)在于：粒子必須足夠大，以使它們之間的引力足夠強，從而產(chǎn)生顯著影響；但又不能太大，否則就無法將它們維持在量子態(tài)中。

倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家蘇加托·博斯（Sougato Bose）及其同事于2017年提出了一項實驗方案：將兩個納米晶體置于疊加態(tài)，同時確保它們之間的距離足夠遠(yuǎn)（約100微米），使得它們無法感知彼此的電磁場，而僅通過引力相互作用。位置的疊加意味著不同粒子位置的引力相互作用會有所不同，從而產(chǎn)生可測量的干涉效應(yīng)。

博斯指出，要使這些相對較大的物體保持在疊加態(tài)，必須確保它們與環(huán)境中的任何相互作用都完全隔離。哪怕是一分子氣體或一個光子撞擊其中一個物體，都可能導(dǎo)致疊加態(tài)坍縮。因此，必須將它們懸浮在極高真空環(huán)境中，并屏蔽掉任何雜散電磁場。

阿斯佩爾邁爾指出，要增強“薛定諤的貓”的“引力效應(yīng)”，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于將我們當(dāng)前的量子控制技術(shù)擴(kuò)展到更大的質(zhì)量，并減少氣體分子碰撞或雜散電磁輻射造成的退相干。盡管技術(shù)要求極高，但阿恩特表示，通過這種方式檢驗量子化引力的想法值得探索。

那么，宏觀世界是否完全遵循量子規(guī)律？“沒有確鑿依據(jù)證明量子定律會在某個宏觀尺度失效，”霍恩伯格說，“但我們目前尚不清楚，而且有充分理由懷疑，一旦廣義相對論開始起作用，情況就會發(fā)生根本性的變化?！钡a充道：“我認(rèn)為，如果量子理論終有一天會被某種更根本的理論所取代，我想那新理論將更加令人難以置信?！?/p>

量子有尺度上限嗎？

近百年前，薛定諤原本只想借助一種極端思想實驗，來揭示他眼中量子力學(xué)哥本哈根詮釋的缺陷。卻無意間促成了更大的科學(xué)價值，促使著幾代物理學(xué)家更深入地探索大自然那充滿不確定性的本質(zhì)。

阿恩特表示，現(xiàn)代科學(xué)界致力于制造越來越大的“薛定諤的貓”，這一努力還有助于探測暗物質(zhì)：天文學(xué)家假設(shè)暗物質(zhì)提供額外引力，維系星系不散。學(xué)界普遍認(rèn)為暗物質(zhì)由未知稀有粒子構(gòu)成，卻始終沒有直接觀測證據(jù)。倘若暗物質(zhì)粒子能和普通物質(zhì)發(fā)生極微弱作用，就可能擾動脆弱的宏觀疊加態(tài)、使其坍縮，借此暴露自身蹤跡。除此之外，宏觀疊加系統(tǒng)還能用來搜尋四大基本力之外的第五種自然作用力：若第五種力耦合量子系統(tǒng)與環(huán)境，同樣會造成疊加坍縮。

那么，那只貓本身又會怎樣呢？時至今日，物理學(xué)家們?nèi)匀粚@樣一個問題感到好奇：如果一個活生生、會呼吸、會思考的生物被置于疊加態(tài)，它會有什么感覺——如果真有什么感覺的話。拋開倫理問題不談，科學(xué)家們能否重現(xiàn)薛定諤最初的實驗？鑒于生命缺乏明確的量子描述，所謂“生與死”的疊加態(tài)究竟意味著什么，目前尚不明確。但我們至少能否將細(xì)菌這類微小的生物置于位置的疊加態(tài)之中呢？

阿恩特認(rèn)為這或許可行，至少對病毒而言是如此?！叭绻塬@得資金支持，我們一定會竭盡全力實現(xiàn)這一目標(biāo)，”他說，“雖然面臨諸多挑戰(zhàn)，但這并非不可能?！?br/>

那么，活細(xì)胞呢？“給我點時間再想想，”他笑著說。

作者：Philip Ball

翻譯：zzz

審校：姬子隰

fu

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今天我們將送出由外語教學(xué)與研究出版社提供的《少年物理偵探團(tuán)》。

《少年物理偵探團(tuán)：光精靈來襲》讓孩子在破解謎題的過程中自然產(chǎn)生對物理的好奇心與探索欲。陽光小鎮(zhèn)接連發(fā)生怪事：炒年糕店神秘老板藏著秘密實驗室，發(fā)光怪鳥所到之處，黑板字跡消失、紅外線肉眼可見、物體突然沒了影子……這些看似“魔法”的現(xiàn)象，其實都是物理精靈的惡作劇。

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【互動問題：你覺得人類未來能造出一只真正“既死又活的貓”嗎？為什么？】

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截止到本周四中午12：00，參與互動的留言中點贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書一套（點贊數(shù)相同的留言記為并列，并列的后一名次序加一，如并列第二的后一位讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎，過往四期內(nèi)獲過獎的朋友不能再獲得獎品，名次會依次順延

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編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場