一只影響世界的“貓”

趙君鵬

“活著還是死去”，這個(gè)問題讓哈姆雷特很頭疼。但這對(duì)“薛定諤的貓”來說，根本不是事兒，因?yàn)檫@只貓可以“既死又活”。1935年，奧地利量子力學(xué)家薛定諤提出這樣一個(gè)設(shè)想：將一只貓關(guān)在裝有毒藥和少量鐳的鐵盒子里。如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)，打碎裝有毒藥的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，在人們打開盒子觀察之前，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓會(huì)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)，也就是說這只貓既死又活。

雖然這只貓和砸在牛頓頭上的那個(gè)蘋果一樣有名，但顯然“既死又活的貓”不像萬有引力那般容易理解，它只是量子力學(xué)的一個(gè)經(jīng)典設(shè)想。要想認(rèn)識(shí)這只貓，我們得先了解一下什么是量子力學(xué)。量子力學(xué)是物理學(xué)的分支，研究對(duì)象是微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而粒子是能夠以自由狀態(tài)存在的最小的物質(zhì)組成部分。20世紀(jì)初，物理學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)，他們研究認(rèn)為，微觀世界和宏觀世界有著很大的不同，宏觀世界的很多理論在微觀世界是行不通的。比如，粒子可以存在于疊加狀態(tài)中，能同時(shí)擁有兩個(gè)相反的特性。舉例來說，生活中，我們常說“不是在咖啡館，就是在去咖啡館的路上”，而在量子力學(xué)看來，粒子是可以處于“既在咖啡館，又在路上”的狀態(tài)。但是，人們不能測(cè)量粒子，否則就會(huì)影響粒子的狀態(tài)，從而影響測(cè)量的結(jié)果。

“薛定諤的貓”形象地說明了微觀世界和宏觀世界的不同。那么，如果條件允許，在宏觀物體上能觀察到這只“既死又活的貓”嗎？量子理論沒有給出回答。物理學(xué)中有一個(gè)重要問題，就是研究量子世界與現(xiàn)實(shí)世界之間的邊界，或許這個(gè)邊界根本就不存在。

最近，這個(gè)溝通微觀世界與宏觀世界之間的橋梁有眉目了。一個(gè)物理研究團(tuán)隊(duì)表示，他們找到了一種方法，能夠讓“薛定諤的貓”進(jìn)行“繁殖”，也就是讓它更多、更大，將來有一天，這種辦法或許能把量子世界與現(xiàn)實(shí)世界連接起來。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是亞歷山大·洛沃斯基主導(dǎo)的，他是加拿大高等研究院量子信息科學(xué)研究員。他們是這樣進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的：將兩束電磁場(chǎng)方向完全相反的連續(xù)光束進(jìn)行疊加，也就是說，利用光波分束器讓這兩束光發(fā)生干涉，讓它們處于“你中有我，我中有你”的狀態(tài)，然后嘗試著從這些光波出發(fā)，培育更高振幅的光波“貓”。他們?cè)谄渲幸粋€(gè)分束器輸出終端上，安裝一臺(tái)探測(cè)裝置，如果探測(cè)器能夠檢測(cè)到一個(gè)反饋信號(hào)，就意味著一只疊加狀態(tài)的“貓”誕生了，并且這一只“貓”的能量等于兩只“貓”的能量。換句話說，能量是初始狀態(tài)的兩倍。

通過這種方式，研究人員將兩只低振幅的負(fù)“貓”合成了一只高振幅的正“貓”。讓研究人員感到興奮的是：這個(gè)實(shí)驗(yàn)流程能夠不斷地被重復(fù)。也就是說，剛制造出來的“貓”可以繼續(xù)被輸入分束器再次疊加，從而再次提升能量等級(jí)。用這樣的方法，理論上可以無限放大“薛定諤的貓”，并逐漸逼近量子世界的極限。

量子力學(xué)研究是當(dāng)今科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，我國(guó)也在進(jìn)行相關(guān)的研究，而且目前已走在世界前列。在未來，量子技術(shù)不僅可以用于百姓的日常通信，還可以用在國(guó)防、金融等領(lǐng)域，使人們的生活更加方便快捷，工作更加安全高效。