物理學家邁爾斯·布倫科(右)利用這臺稀釋制冷機論證量子力學在宏觀世界里的作用

        物理學中有一種“假想實驗”,，這種實驗并不需要在現(xiàn)實中真正地操作完成（或者是在現(xiàn)實中無法進行），它可以通過人類的思維過程來完成,，這種實驗是通過人對于自然界的經(jīng)驗和邏輯推理進行的,。

        世界上最著名的假想實驗可能就是伽利略的斜坡實驗：一個小球從斜坡上滾下來，之后再攀爬上坡度不等的斜坡。在表面光滑不考慮摩擦的情況下,，小球攀爬的斜坡坡度越小,，它的運行距離也就越遠，我們因此可以推論,，當小球在坡度為零的光滑平面上不受阻礙滾動的時候,，理論上它運動的距離是無限大，也就是說它將永遠運動下去,。這個假想實驗用來證明物體的運動性質(zhì)——在不受外力作用的情況下,，物體將保持自身的運動狀態(tài)不變。它推翻了之前亞里士多德的物體只有受力才會運動的觀念,，并在后來被牛頓總結(jié)為牛頓第一定律,。

        但是也有一些假想實驗，人類卻無法通過對于自然界的經(jīng)驗和邏輯推理完成,，并且可以使人長時間陷入某種悖論中,，其中最著名的莫過于物理學家埃爾文·薛定諤提出的“薛定諤的貓”實驗，這個實驗幾十年來一直使物理學家們陷入尷尬的境地,。兩個不同的假想實驗,，之所以會出現(xiàn)完全不同的結(jié)果，就因為前者需要人們對于宏觀世界的經(jīng)驗——在這方面人類完全沒有問題,，在某些方面,，比如物體運動的連續(xù)性，人類對其的認知似乎是與生俱來的,；而后者則需要對于微觀量子世界的理解,，人類對于量子世界的探索剛開始，而在量子世界中所展示的,，大多都違背人類的直覺和常識,，這使得人類無法進行涉及微觀量子世界的假想實驗，也就因此容易陷入悖論,。

       人類在進入了量子世界之后,，馬上意識到在宏觀世界和微觀世界之間存在著一個界限——量子世界的離奇現(xiàn)象并不會影響到宏觀世界，這個界限保護著人們已經(jīng)習以為常的在宏觀世界中的物理定律和生活方式,，因此我們從來不用擔心家中的椅子因為量子疊加態(tài),，同時出現(xiàn)在不同的地方。

        根據(jù)物理學目前的理論,，退相干過程正是微觀世界向宏觀世界轉(zhuǎn)換的過程,，這個過程涉及到量子信息向周圍環(huán)境的擴散。退相干理論從20世紀80年代發(fā)展起來,，成為物理學研究的熱點問題一直至今,。但是,，關(guān)于微觀世界與宏觀世界的界限問題，還遠沒有定論,，科學家們使越來越多的“宏觀物體”顯示出了量子態(tài),，而量子世界的本質(zhì)卻還沒有顯現(xiàn)出來。

物理學家埃爾文·薛定諤

        可是宏觀世界中物質(zhì)的“經(jīng)典”性質(zhì),，并不是物質(zhì)先驗的,，最基本的性質(zhì)，也是由量子態(tài)轉(zhuǎn)化而來的,。只有當量子態(tài)與周圍的環(huán)境發(fā)生“糾纏”,，這個“子系統(tǒng)”的量子信息“泄露”到了周圍的環(huán)境中，才使微觀系統(tǒng)顯現(xiàn)出它在宏觀世界的性質(zhì),，這個過程,，就被稱為“退相干”過程。從熱力學的角度講,，這個“子系統(tǒng)”的熵值增大了,。

       雖然整個宇宙可能開始于一次量子現(xiàn)象，但是很明顯的是,，我們現(xiàn)在所居住的宇宙呈現(xiàn)的是“經(jīng)典”的宏觀狀態(tài),，只有在極微小的尺度下才會顯示出量子現(xiàn)象。量子世界與宏觀世界的表現(xiàn)截然不同,，其中最大的區(qū)別大概就在于量子“疊加態(tài)”,，也就是說，一個微觀粒子可能因為“疊加態(tài)”同時存在于幾個位置,，而這種狀態(tài)在宏觀世界中卻從來沒有出現(xiàn)過,。究竟是什么使整個宇宙沒有呈現(xiàn)出量子態(tài)？可能正是因為無所不在的連續(xù)的退相干過程,，才使我們的宏觀世界沒有出現(xiàn)量子態(tài),，這也正是微觀世界與宏觀世界之間的界限。

        如何理解這個在微觀世界和宏觀世界之間的界限,？它們之間的界限到底在哪里？關(guān)于這個問題,，2013年7月12日,，美國達特茅斯學院的物理學家邁爾斯·布倫科（Miles Blencowe）在《物理評論快報》（PRL）雜志上發(fā)表論文《關(guān)于引力引發(fā)的退相干的等效場論》（Effective Field Theory Approach to Gravitationally Induced Decoherence）。布倫科認為,，正是在宇宙大爆炸時形成的“宇宙背景引力波”,，干擾了宇宙中的宏觀事物，使它們沒有出現(xiàn)量子疊加態(tài),。彌漫宇宙的背景引力波和宇宙微波背景輻射有相似之處,，只是宇宙背景引力波的溫度更低,，略低于1開爾文（宇宙微波背景輻射的溫度大約為4.3開爾文）。布倫科認為,，正是這種彌漫在宇宙中無所不在的背景引力波,，這種時空的微小褶皺，足以干擾到一定質(zhì)能的物質(zhì)的疊加態(tài),，使之只呈現(xiàn)出遵守物理學經(jīng)典理論的性質(zhì),。

        微觀與宏觀世界的界限是否由宇宙背景引力波來劃分，一個宏觀的物體是否不會出現(xiàn)量子態(tài),？薛定諤的那只假想中同時處于“生”與“死”之中的貓到底有沒有可能存在,？始終有物理學家試圖用各種方法真正實現(xiàn)“薛定諤的貓”實驗，而這也正是檢驗微觀世界與宏觀世界分界線的最好方式,。

        “薛定諤的貓”假想實驗之所以令物理學家陷入困惑,，是因為薛定諤把一個微觀世界的量子疊加態(tài)和宏觀世界中的一只貓的生和死兩種狀態(tài)連接到了一起。一個處于量子疊加態(tài)的放射性原子,，并沒有與外部環(huán)境發(fā)生相互作用,。而一只貓則不同，一只貓是由數(shù)量巨大的粒子組成的宏觀生物,，它不停地和外界環(huán)境發(fā)生相互作用,。即使把一只貓裝在一個封閉的盒子里，在理論上,，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^研究這只貓與外界環(huán)境相互作用產(chǎn)生的影響而斷定貓的狀態(tài),，這種連續(xù)的退相干過程保證貓始終處于宏觀狀態(tài)，而絕對不會出現(xiàn)“半死不活”的量子疊加態(tài),。

        那么,，一個微觀系統(tǒng)究竟在多大程度上能夠與一個宏觀系統(tǒng)發(fā)生糾纏？最近有兩組科學家在最大程度上模擬了“薛定諤的貓”實驗,。2013年7月23日,，在莫斯科舉辦的第二屆量子技術(shù)國際會議（Second International Conference on Quantum Technologies）上，一組來自加拿大,、俄羅斯和伊朗的科學家繼續(xù)探索著“微觀和宏觀世界的界限究竟在哪里”這個話題,。他們通過模仿“薛定諤的貓”實驗，使得人們此前從來沒有想象過的“宏觀”事物產(chǎn)生了量子現(xiàn)象,。

        在此之前,，已經(jīng)有過使“宏觀”物體相互糾纏的實驗。在來自加拿大卡爾加里大學的物理學家亞歷山大·勞弗斯基（Alexander Lvovsky）和他的同事們進行的實驗中,，他們通過一個半透明的鏡子使一個光子達到量子態(tài)——其中一個狀態(tài)是這個光子通過了鏡子,，另一個狀態(tài)是光子被鏡子反射，而且他們使得光子的這兩種狀態(tài)相互糾纏,。接下來,，這組科學家通過激光使光子的其中一種狀態(tài)被放大,。這樣，這種狀態(tài)就被放大到了數(shù)以億計的光子的范圍——在理論上,，這已經(jīng)足夠被人用眼睛直接看到,，雖然實驗中光的頻率并不在可見光的范圍之內(nèi)。

        也就是說,，在這個真正的實驗中,，一個光子的量子態(tài)成功地和數(shù)以億計的光子形成了糾纏狀態(tài)（而且這種狀態(tài)有可能被人眼直接看到），可以說,，這個實驗在最大程度上模擬了“薛定諤的貓”假想實驗,。這組科學家聲稱，這是人類第一次實現(xiàn)一個微觀物體和宏觀物體（數(shù)以億計的光子）形成糾纏狀態(tài),。勞弗斯基和他的同事們論述這個實驗的論文《對于微觀－宏觀光線糾纏態(tài)的觀察》（Observation of micro-macro Entanglement of Light）在2013年7月21日發(fā)表在《自然·物理學》雜志上,。而在同時，另一組來自瑞士日內(nèi)瓦大學的科學家也實現(xiàn)了類似的實驗,。盡管數(shù)以億計的光子尚且不能和一只真實的貓相提并論,，但是，這個數(shù)量級,，也許算得上是“一只小貓咪”——來自美國麻省理工學院的物理學家塞思·勞埃德（Seth Lloyd）這樣評價道,。

        根據(jù)物理學目前的理論，退相干過程正是微觀世界向宏觀世界轉(zhuǎn)換的過程,，這個過程涉及到量子信息向周圍環(huán)境的擴散,。退相干理論從20世紀80年代發(fā)展起來，成為物理學研究的熱點問題一直至今,。但是,，關(guān)于微觀世界與宏觀世界的界限問題，還遠沒有定論,，科學家們使越來越多的“宏觀物體”顯示出了量子態(tài),，而量子世界的本質(zhì)卻還沒有顯現(xiàn)出來。

本文參考了《新科學家》,、《物理評論快報》和《自然》等雜志的相關(guān)報道