量子柴郡貓:比薛定諤的貓更怪異

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當你認為你已經聽過所有可能的量子謎團時,又冒出了一個新的謎團。傑夫·托拉森在最近的基礎問題研究所會議上的演講中順便提到了它。托拉森可能認為我們都聽過了。畢竟,他的研究生導師亞基爾·阿哈羅諾夫——他以傑出的職業生涯,不斷探索薛定諤方程,看會跑出什麼野獸——在20世紀90年代首次發現了它,並在他2005年的著作《量子悖論》第17章中討論了它。但對我來說,這是個新概念。

這種情況是對薛定諤思想實驗的詳細闡述。你有一隻貓。它要麼發出呼嚕聲,要麼發出喵喵聲。它蜷縮在兩個盒子中的一個裡。正如薛定諤的場景一樣,你將貓與一些量子系統(如放射性原子)耦合,使其狀態變得模糊——所有可能性的疊加——直到你檢查其中一個盒子。如果你伸入盒子2,你會感覺到貓。如果你聽盒子的聲音,你會聽到呼嚕聲。但是當你仔細聽時,你會注意到呼嚕聲來自盒子1。貓在一個盒子裡,呼嚕聲在另一個盒子裡。就像一隻柴郡貓一樣,這隻動物已經與構成一隻貓的屬性分離了。貓的行為和貓的本質不再一致。

在實踐中,你會對電子而不是貓進行這種特技。你會發現電子在一個盒子裡,它的自旋在另一個盒子裡。即使按照量子力學的標準,這也很令人驚訝。這需要量子物理學家所謂的“弱測量”,即你與系統進行非常輕微的互動,以避免將其從量子態坍縮為經典態。從表面上看,這種互動幾乎不能算作測量;任何結果都會在海森堡不確定性原理的噪聲中丟失。阿哈羅諾夫意識到的是,如果你篩選結果,你可以找到隱藏在其中的模式。


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在實踐中,這意味著在大量的電子(或貓)上重複實驗,然後應用過濾器或“後選擇”。只有少數粒子會透過這個過濾器,並且在它們之中,輕輕的測量的結果將會突出。

因為你避免了量子態的坍縮,所以仍然會發生諸如波干涉等典型的量子現象。因此,對於一隻柴郡貓,你應用以下過濾器:你改變疊加中一個項的符號,導致電子的位置和自旋在一個盒子裡發生相長干涉,在另一個盒子裡發生相消干涉,從而使在盒子1中找到電子的機率歸零,並使盒子2中電子的淨自旋歸零。瞧,電子在盒子2裡,它的自旋在盒子1裡。

如果這讓你的頭暈目眩,那應該是的。“弱”這個詞不僅描述了測量,也描述了我對真正發生的事情的直觀理解。我能做的最好的事情就是推薦阿哈羅諾夫、托拉森和桑杜·波佩斯庫去年11月《今日物理》上發表的關於弱測量的文章,但請做好多次閱讀的準備,直到你對他們所說的內容有了一點點概念。我已經委託撰寫一篇關於阿哈羅諾夫工作的文章,將在即將出版的《大眾科學》中發表,以消除一些不確定性。與此同時,嘗試坐在一個與你感到困惑的地方不同的房間裡。

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