埃爾溫·薛定諤 |
1935年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤提出了一個思想實驗，這個實驗一直令哲學家津津樂道，並讓愛貓人士感到震驚。現在，科羅拉多州博爾德市國家標準與技術研究院 (NIST) 的四位研究人員已經使用帶正電的原子——是的，用科學術語來說是“陽離子”——鈹，而不是活貓，進行了臭名昭著的“薛定諤的貓”測試。
雖然陽離子比貓小得多，但它仍然比通常表現出奇異量子行為的電子、光子和其他粒子大得多。在5月24日出版的《科學》雜誌上的一份報告中，NIST 團隊表示希望他們的“介觀系統可以為經典世界和量子世界之間模糊的邊界提供一些見解。”
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薛定諤設計了貓實驗，以說明量子領域與我們居住的宏觀日常世界截然不同。他自己已經證明，像電子這樣的粒子以多種可能的狀態存在，每種狀態的機率都包含在一個稱為波函式的方程中。例如，對於放射性物質的原子，原子在給定的時間內具有一定的衰變機率。
根據我們的“經典”直覺，我們會認為只有兩種可能性：要麼原子已經衰變，要麼原子還沒有衰變。然而，根據量子物理學，原子同時存在於兩種狀態。只有當觀察者實際嘗試透過測量來確定原子的狀態時，波函式才會“坍縮”，原子才會呈現出其可能的兩種狀態之一：衰變或未衰變。
薛定諤推斷，這種機率行為也可能存在於宏觀世界中，即使我們很少意識到它。他想象一個盒子，裡面有一個原子，它在一個小時內有 50% 的可能性衰變，一個輻射探測器，一個裝有毒氣的燒瓶和一隻貓。當原子衰變時，蓋革計數器將觸發一個開關，使錘子砸碎燒瓶，釋放出氣體並殺死貓。當實驗者在一個小時後開啟盒子蓋並向裡面看時，他或她會發現原子完好無損或已衰變，貓活著或死了。但是，根據量子力學，在開啟蓋子之前的這段時間裡，貓存在於兩種疊加狀態：既是死的又是活的。
在 20 世紀 80 年代，已故理論家約翰·貝爾提出了一個更易於接受的薛定諤實驗版本，其中原子的衰變導致一瓶牛奶灑到地板上；因此，疊加態的貓是飢餓的或飽腹的，而不是活著的或死去的。但是，無論哪個版本都顯得非常荒謬：從量子物理學的角度來看，結果似乎是合乎邏輯的，但常識告訴我們，貓不可能同時是活著的又是死去的（或飢餓的又是飽腹的）。
薛定諤的貓悖論引發了理論物理學家和哲學家之間的激烈辯論。儘管一些思想家認為貓實際上確實存在於兩種疊加狀態，但大多數人認為疊加只發生在量子系統與其餘環境隔離時。人們已經提出了各種解釋來說明這種悖論——包括貓，或者僅僅是動物的物理環境，可以充當觀察者的觀點。
問題是，在哪個點或尺度上，量子領域的機率規則讓位於支配宏觀世界的確定性定律？NIST 團隊最近完成的工作生動地揭示了這個問題，該團隊包括克里斯托弗·門羅、道恩·米克霍夫、布賴恩·金和大衛·溫eland。該小組將帶電的鈹原子限制在一個微小的電磁籠中，然後用雷射將其冷卻到最低能量狀態。在這種狀態下，原子位置及其“自旋”（一種量子特性，僅在比喻意義上類似於普通意義上的自旋）可以在非常高的精度範圍內確定，精度受到海森堡不確定性原理的限制。
然後，工作人員用雷射刺激原子，使其波函式發生變化；根據原子新的波函式，它現在有 50% 的機率處於初始位置的“自旋向上”狀態，並且有相同的機率處於距初始位置遠達 80 奈米的“自旋向下”狀態，對於原子領域來說，這確實是一個巨大的距離。實際上，原子同時處於兩個不同的位置以及兩個不同的自旋狀態——相當於一隻貓同時活著和死去。
（NIST 研究人員實現其目標的決定性證據來自他們對干涉圖樣的觀察；這種現象清楚地表明，單個鈹原子產生了兩個不同的波函式，並且它們相互干涉。）
NIST 研究人員正在計劃實驗，以更深入地探究疊加系統“退相干”的過程，即它們失去分裂狀態的特性，並讓位於更平凡的經典行為。門羅說，他和他的同事希望將單個離子誘導到三種或更多種狀態的疊加態，並在同一個阱中操縱兩個或多個離子。
如果過去的經驗可以作為借鑑，那麼這些實驗將不會解決量子力學的奧秘，而只會突出它似乎與我們通常的期望有多麼深刻的矛盾。正如尼爾斯·玻爾喜歡談論量子力學時所說的那樣，“如果你認為你理解它，那隻能說明你根本不瞭解它。”