薛定諤當年用來抬杠的貓，怎么成了破解宇宙秘密的鑰匙？

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物理學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家憑借“波動方程”徹底改變了新興的量子力學理論，該方程闡釋了量子粒子如何表現出波的特性。此后，他目睹一些研究者利用他的理論，炮制出一套他認為荒謬的量子理論解釋——這種解釋似乎否認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？圖源：Magnific。

一個世紀以來，這個思想實驗不斷引發學界爭論：在量子理論中，測量與觀測的本質究竟是什么。它向實驗物理學家們發出了挑戰：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？即便沒法實現貓咪的量子疊加，我們能否把大塊無生命物質（有人戲稱其為“薛定諤的貓”）置于這種奇特的量子疊加態之中？

這不僅僅是一個純理論問題。去年的諾貝爾物理學獎授予了那些在20世紀80年代證明可在超導線圈中產生疊加態的研究人員：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制1和0的疊加態形式表示的信息，從而實現了驚人的計算速度。

歸根結底，圍繞“薛定諤的貓”開展的實驗，目的是探尋量子力學的適用邊界。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、質量變大，量子效應愈發難以觀測？還是說，正如一些研究者所認為的那樣，存在一個臨界點，一旦超過該點，量子力學便不再適用，唯有傳統的經典物理學才能用來描述世界？

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性問題。如果這些微小顆粒具有足夠的質量，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中，就能驗證引力是否能夠被量子化描述（主流物理學家普遍持該觀點，但始終缺少實證）。同時，疊加態的不穩定性，還能打造高靈敏度探測手段，搜尋用來解釋宇宙暗物質的未知稀有粒子。

挑戰哥本哈根詮釋的“薛定諤的貓”

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

通常，量子理論會給出多種測量結果，每種結果對應確定概率。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，而是多種狀態交融形成疊加態。只有當我們觀測一個最初處于空間疊加態的物體時，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為，我們必須接受量子世界就是這樣運行的。測量會從無數潛在可能性里篩選出唯一確定結果，也就是客觀現實。在薛定諤的時代，人們常將疊加態描述為同時處于多個狀態或位置，但該表述并不嚴謹：疊加態僅僅意味著在多個觀測結果中，任何一種都有可能出現。

“測量憑空創造現實、觀測前物體同時擁有多重狀態”的觀點，令薛定諤與愛因斯坦都難以認同。這套理論仿佛否定了獨立于觀測之外的客觀實在，和科學界長久以來的基礎認知相悖。

薛定諤通過設想一個實驗，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生）會觸發一系列連鎖反應，最終導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，那么這只貓也必然處于“活著”與“死去”的疊加態。

“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量子力學看似違背常理的一面。”德國杜伊斯堡-埃森大學的物理學家克勞斯·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。

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”，畢竟當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，揭露哥本哈根學派否認客觀現實預先存在的荒謬之處。

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

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，這正符合經典物理學的假設。那么，量子力學何時會轉變為經典力學？隨著物體尺寸的增大，量子疊加狀態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？

物質的波動性

疊加態通常十分脆弱。根據量子力學，觀測會破壞疊加態——但這其實并非取決于我們是否去觀察它。只要關于物體狀態的任何信息泄漏到環境中，且有可能被檢測到，就足以破壞疊加態：關鍵在于是否可能進行觀測。如果一個光子從物體上反射出來，或者物體本身發射出一個光子，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。

量子態因與環境相互作用而導致的信息“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。大多數研究人員認為，這正是在大尺度上觀察量子效應如此困難的原因：并非因為量子效應在大物體中本質上不穩定，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：基態。圖源：Aspelmeyer Group / University of Vienna。

觀察處于疊加態的原子其實相當簡單。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，兩道狹縫各自發出的物質波發生干涉，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。原子物質波的干涉現象最早于20世紀90年代初被證實。這種現象僅在粒子處于疊加態時才會出現；也就是說，可以認為它們同時穿過兩個狹縫，甚至與自身發生干涉。一旦測量粒子穿過哪個狹縫，疊加態就會被破壞——干涉圖樣隨之消失。

我們能否將此類實驗擴大規模？整個分子是否也會表現出這種特性？1999年，維也納大學的馬庫斯·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實驗研究的前沿，當時則在未來的諾貝爾獎得主安東·蔡林格（Anton Zeilinger）的團隊中工作。他證明了由富勒烯分子構成的物質波確實會產生干涉現象。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構。

自那時起，阿恩特一直在更大規模的分子中演示干涉現象。2019年，他的團隊稱，成功實現了由多達2000個原子組成的有機分子的量子疊加，其質量高達25000道爾頓（1道爾頓約等于一個質子或中子的質量，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，還和疊加兩個狀態的質心間距相關。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在經典物理學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，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，阿恩特的研究團隊與霍恩伯格合作，報告了一項關于量子物體宏觀性的新紀錄。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造疊加態。兩個疊加位置的質心相距達133納米——這一距離是粒子尺寸的10倍以上。

霍恩伯格認為，對于質量大約是鈉納米晶體10倍的粒子，要產生物質波干涉“將變得非常困難”。他推測，要將實驗規模擴大到這一水平，可能需要采用不同的方法：即讓經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（基態）。

維也納大學的馬庫斯·阿斯佩爾邁爾（Markus Aspelmeyer）正在這方面開展開創性研究。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，而非因熱振動而躍遷至高能態。為此，他們利用光學阱將這些微粒懸浮在強激光場中。

次年，阿斯佩爾邁爾的團隊以及瑞士蘇黎世的一組研究人員證明，通過放棄光學阱，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，并更穩固地處于基態。但要將如此大塊的物質誘導至疊加態則是另一回事，迄今為止尚無人實現。

不過，阿恩特對此持樂觀態度。“我們認為，在未來幾年內，實現質量在數千萬道爾頓量級粒子的”疊加態“是切實可行的，”他說，“這與我們鈉金屬粒子創下的當前世界紀錄相比，質量將提高百倍，宏觀性將提高多達六個數量級。”

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，在達到宏觀尺度之前，量子力學本身就會失效，不少物理學家長久以來抱有該猜想。

根據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）獨立提出的某種理論，處于疊加態的量子物體將自發“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。彭羅斯認為，這種坍縮是必要的，以防止量子力學與廣義相對論發生沖突——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，具有質量的物體會使時空本身發生扭曲變形，讓周邊物體運動軌跡發生偏轉，也就是經典概念中的萬有引力。彭羅斯的顧慮在于：當物體大到足以產生顯著引力時，空間位置疊加會生成兩套截然不同的時空幾何結構，這需要無窮大能量支撐；而自發坍縮能提前終結疊加等量子效應，規避該悖論。

聚焦物質波：這是一組處于非局域化狀態的鈉原子簇的計算機模擬圖，其中描述原子位置的波函數在空間中呈一定程度的擴散。只有當該簇進入探測區被測量時，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又與廣義相對論相容的量子引力理論，但大多數物理學家認為引力本質上確實具有量子性質。1957年物理學家理查德·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，但他從未設想過有朝一日能進行真正的實驗。

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，我們已經對引力的所謂量子本質有了完整的認識，”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，這將會顛覆我的認知。”

阿斯佩爾邁爾表示，為了驗證這個猜想，要構建具有足夠質量以產生可測量的引力場，同時足夠去局域化（即處于宏觀性足夠大的疊加態），使得引力現象不再能用經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準，用以評估此類物體在探索量子引力方面的實用性，該標準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生一種被稱為“糾纏”的奇特量子效應。

這或許是所有量子現象中最令人費解、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，那么根據量子力學，此后它們的行為本質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發生了糾纏。

這會帶來一些奇特的結果。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。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行觀測，會瞬間影響另一個，無論它距離多遠。這種瞬時的超距作用被愛因斯坦的狹義相對論所禁止，而愛因斯坦認為，這一明顯的悖論表明量子力學并不完備。

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。它們的性質已經變得“非局域化”——不再局限于粒子本身。盡管這聽起來很奇怪，但這一現象如今已被實驗無數次證實。

1935年，薛定諤將這一現象命名為“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量子化，才能依靠作用實現粒子糾纏。因此，若僅憑萬有引力就能讓兩個質量體產生糾纏，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，面臨的挑戰在于：粒子必須足夠大，以使它們之間的引力足夠強，從而產生顯著影響；但又不能太大，否則就無法將它們維持在量子態中。

倫敦大學學院的物理學家蘇加托·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，同時確保它們之間的距離足夠遠（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，從而產生可測量的干涉效應。

博斯指出，要使這些相對較大的物體保持在疊加態，必須確保它們與環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，都可能導致疊加態坍縮。因此，必須將它們懸浮在極高真空環境中，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”，關鍵挑戰在于將我們當前的量子控制技術擴展到更大的質量，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律？“沒有確鑿依據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，情況就會發生根本性的變化。”但他補充道：“我認為，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。”

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哥本哈根詮釋的缺陷。卻無意間促成了更大的科學價值，促使著幾代物理學家更深入地探索大自然那充滿不確定性的本質。

阿恩特表示，現代科學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：天文學家假設暗物質提供額外引力，維系星系不散。學界普遍認為暗物質由未知稀有粒子構成，卻始終沒有直接觀測證據。倘若暗物質粒子能和普通物質發生極微弱作用，就可能擾動脆弱的宏觀疊加態、使其坍縮，借此暴露自身蹤跡。除此之外，宏觀疊加系統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與環境，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，物理學家們仍然對這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，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，科學家們能否重現薛定諤最初的實驗？鑒于生命缺乏明確的量子描述，所謂“生與死”的疊加態究竟意味著什么，目前尚不明確。但我們至少能否將細菌這類微小的生物置于位置的疊加態之中呢？

阿恩特認為這或許可行，至少對病毒而言是如此。“如果能獲得資金支持，我們一定會竭盡全力實現這一目標，”他說，“雖然面臨諸多挑戰，但這并非不可能。”

那么，活細胞呢？“給我點時間再想想，”他笑著說。

作者：Philip Ball

翻譯：zzz

審校：姬子隰

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編輯：姬子隰

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場