Thursday, December 29, 2016

探求薛定谔之猫而得到的诺贝尔奖

近一个世纪以前,物理学家开始探索神奇的微观量子世界,相继发现了一些匪夷所思的现象。其中之一是波粒二相性,即微观粒子同时呈现粒子和波动的特性:它们可以同时在不同的地点出现,或同时占据不同的能量态。因为这样的行为与我们日常所熟悉的经典世界格格不入,这两个世界之间是否存在确定的分界线,又是如何相互影响的便成为一个难题。

为了解释这些新现象,丹麦物理学家尼尔斯·波尔(Niels Bohr)等人在1920年代中期逐步发展出一套系统的理论:在纯粹量子世界中,粒子的状态完全由其波函数描述,波函数的平方值决定该粒子在某处出现的几率。我们对这个微观世界的观察和测量是通过经典世界的仪器进行的,只能测量到经典意义上的性质,而无法直接观测波函数及其演变。只有在对大量的重复实验结果做统计分析才能得到量子世界原有的几率发布。这便是量子力学的“哥本哈根诠释”。

比如一个具备放射性的原子会在某个时刻自发地放射出某种粒子而衰变成其它原子。我们在对大量同种原子的衰变过程观测后可以知道其衰变的速度(半衰期)。但对任何一个单个原子,我们只能知道它有一定几率会发生衰变,却无法确知它是否会在一个特定的时刻衰变。在量子理论中,这个原子处于一种“既衰变又没有衰变”的状态——其波函数是衰变态和未衰变态的叠加。两个态的相对比重决定其在该时刻发生(或不发生)衰变的几率。

而我们用经典世界的仪器观测这个原子时,在任何时刻都只能看到它或者尚未发生衰变,或者已经衰变了,无法看到所谓“既衰变又未衰变”的状态。在哥本哈根诠释中,这样的结果是经典世界和量子世界接触时的必然结果。量子世界的原子的波函数在被经典世界仪器观察时发生了“塌缩”:从原来的叠加态变成了其中的某一个态。而这个塌缩是瞬间完成的,其过程本身亦无法观测。

这个理论从一开始便引起许多著名物理学家的怀疑和挑战。1935年,说过“上帝不掷骰子”名言的爱因斯坦(Albert Einstein)便与同行一起设想了一个在这个诠释中可能出现超光速而破坏因果关系的假想实验(即EPR悖论)。其后不久,薛定谔(Erwin Schrodinger)在与爱因斯坦讨论后提出了一个更为简明的假想实验,也就是著名的“薛定谔之猫”:设想在一个封闭的箱子里有一只猫和一个放射性原子,原子衰变时放射出的粒子可以将箱子里的一个毒气瓶打开,将猫毒死。这样,原子是否衰变与猫的生死变得息息相关,成为统一状态。我们打开箱子时,猫可能死了(原子衰变了)也可能活着(原子尚未衰变)。然而无论是死是活都只是打开箱子观察的那一瞬间猫和原子波函数塌缩的结果。在那之前,猫与原子一起却是处于“既死又活”的状态中。

薛定谔这一假想实验的意义在于把量子世界的原子与经典世界的猫直接地栓到了一起,或者说两个世界的状态发生了耦合或“纠缠”。这使得哥本哈根诠释的前提——两个世界有着泾渭分明的行为——变得模糊可疑。如果说人们对量子世界中的奇特现象比较容易接受的话,没有人会认可经典世界的猫也能处于一种既死又活的荒唐状态。


当然,物理不是哲学的思辨。几十年来,物理学家在对此问题百思不得其解的同时更加致力于将这个假想实验付诸实施,在一些不同的领域实现了与薛定谔之猫等价的物理真实。这些努力中的两个突出例子便是2012年诺贝尔物理学奖的获奖工作。

诚然,我们现在还没法在一个箱子里存放单个的反射性原子并让其放射出的粒子打开一个有毒气的瓶子。(更何况那会激怒所有的爱猫人士和动物保护者。)所谓经典世界与量子世界的耦合或纠缠还只能在很小的尺度,也就是介于微观和宏观之间的“介观世界”(mesoscopic)中实现。

美国科罗拉多(Colorado)大学和国家标准与技术研究院的大卫·维因兰德(David Wineland)教授的研究组采用的是带正电的铍离子。他们通过激光制冷等手段把单个的铍离子“锁定”在一个电场势阱里,只允许它在势阱里做轻微的振动。由于铍原子质量相对较大,这样的振动基本上不具量子特征,相对于经典世界的“猫”。同时,铍离子中的电子在激光的激发下可以在两个邻近的能级之间跃迁,或被调制为处于同时具备两个能级的叠加态上,这便相当于量子世界的放射性原子。他们用一连串不同频率的激光“操纵”这个离子,先让它进入量子的叠加态,然后将这个叠加态与离子本身的振动耦合起来,便实现了经典和量子两个世界的“纠缠”。

法国巴黎高等师范学院的赛尔日·阿罗什(Serge Haroche)教授则反其道而行之。他们将少量的光子引入两面金属铌制成的镜子之间。在极低的温度下,光子与周围环境几乎没有作用,镜子因为成为超导体能够完全反射光子。这样,光子可以在两个镜子之间来回反射达100多微秒的时间不被吸收。它们在这相距大约3厘米的两个镜子之间的运动成为这个实验设计中的经典世界部分(猫)。同时,阿罗什让一个处于高激发态的铷原子穿过光子的路径。因为频率的差异,铷原子无法吸收该光子,但能在与光子的碰撞过程中与光子所处的态实现耦合或纠缠。当铷原子被调制成处于两个高激发态的叠加态时,光子与其纠缠后便成了薛定谔之猫。

这两个实验不仅能够制备出相当于薛定谔之猫的“经典”与量子世界的纠缠态,还可以对这种态进行动态的测量。测量的方式与制备本身相同。美国的实验用激光再次照射处于纠缠态的离子,而法国的实验则将另一个相同的铷原子送入光子的路径,获取纠缠态的数据。

阿罗什在法国的实验中还发现,他们那些处于纠缠态的光子并不稳定。因为镜子表面不是理想的反射面,某些光子会因为散射逃出。而即使有一个光子逃逸,都会令剩下的光子失去纠缠。在宏观世界中,一只真正的猫由无数的原子分子组成,几乎没有可能让它们保持在同一纠缠态上。因此,现实的薛定谔之猫大概是无法实现的。

但在这些实验中,阿罗什却发现通过改变制备和观测的两个铷原子进入光场的时间差,他们可以测量到光子失去纠缠的经过。在他们的实验中,叠加态的塌缩并不是哥本哈根诠释中所描述的“瞬时”作用,而是有一个明确的衰减过程。这种衰减在物理上叫做“去相关”过程,与瞬时的塌缩概念相对。类似的衰减过程也在维因兰德的离子实验中观测到。


维因兰德和阿罗什的实验都打破了原始的哥本哈根诠释为量子测量规定的条条框框。他们不仅在原子和光子作用的领域实现了等价于薛定谔之猫的场景,并通过对这些原子和光子的操纵得以直接研究这一状态的演化过程。因此,诺贝尔奖委员会认为他们做到了在此之前被认为是不可能的事情,打开了实验量子物理的一个崭新时代的大门。

(2012年10月16日)




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