多少个粒子会使系统突然成为经典系统?不存在特定的数字。经典物体有太多的粒子,几乎不可能让它们同时处在协调的位置。经典世界的存在是因为叠加态是不稳定的,但没有哪条定律规定,我们不可以让一个大物体处于叠加态。
一只猫可能有数万亿个粒子,如果每个粒子都非常同步地纠缠在一起,叠加态就可以适用于整只猫。然而,你不可能看到这种情况,因为空气中的一个分子就可以把整件事情搞砸。
薛定谔认为猫不可能既死又活,因为在形而上学中这是不可能的。他是对的,但理由错了。盒子里的放射性粒子可以处于叠加态,但一旦它与更大的物体接触,就会变得越来越不可能保持叠加态。
如果我们设法让猫体内的每一个粒子都完全一致并完美纠缠,那么一旦猫与盒子发生相互作用,死/活的叠加态就会消散。让猫既死又活的唯一方法是把它与周围环境分隔开。2014年8月,物理学家阿龙·奥康奈尔就是这样做的。
宏量子
奥康奈尔实验中的“猫”实际上是一块跳水板形状的金属,宽60微米,大致相当于人类头发的直径。为了防止内部粒子相互作用而产生不协调,奥康奈尔将金属板悬浮在微型游泳池上方,整个系统被放在盒子里,冷却到绝对零度(5)以上几摄氏度。材料中的任何随机振动都可能使一切坍缩,但如果所有粒子都处在低温下,整个物体就相当于一个大粒子。
接着,把金属板连接到盒子外面的电路上,通过测量电路的电流,奥康奈尔就可以在不打开盒子的情况下观察金属板的行为。在这种低温状态下,奥康奈尔打开机器,吸出所有的空气,防止空气与金属板发生纠缠。量子魔法随即发生。
金属板的振动既轻柔又强烈,粒子的移动既剧烈又温和,这意味着每隔几纳秒,原子就会同时出现在两个地方,既接近平衡位置,又远离平衡位置。奥康奈尔建立了世界上第一台量子机器。
2018年5月,迈克尔·范纳创建了一个量子鼓,扩大了实验的规模。量子鼓可以同时振动和静止。在实验中,将一层1.7毫米的薄膜(大约一粒沙子的厚度)放置在光子的路径上,光子可以选择是否撞击薄膜。在叠加状态下,撞击和不撞击同时发生,这意味着:当鼓吸收光子的动量时,它会振动;当光子选择节奏较慢的路径时,鼓会静止。
这种振动非常微弱,实际上每秒只有几个光子撞击鼓面,所以肉眼是看不见的。但范纳的灵敏仪器能够探测到沿两条路径移动的光子,这意味着鼓同时振动和静止。范纳的实验是在室温下进行的,因此更引人注目。
然而,人类观察到的最宏大的量子现象发生在几年前。2017年,由大卫·利兹领导的一个团队用绿硫细菌标本做实验,把激光照射在装有细菌标本的反光镜箱里,希望以此影响光合细胞中的电子。
他们没有意识到,激光中的光子与细菌中的电子产生纠缠,使细菌和光束形成叠加态。第二年,基娅拉·马莱托指出了这一点[6]。这是可能的,因为盒子里充满了光,细菌无法与其他东西相互作用,这意味着它们与激光的纠缠链可以维持相当长的时间。量子现象显然可以应用于生物。
我们生活在物理学的奇妙时代,即将发生的事情是前所未有的。人们一直认为量子力学局限在非常小的世界,局限在微观世界,局限在蚁人的世界。但在过去的几年里,我们开始把量子规则应用到日常的宏观世界中去。宏量子时代已经到来。
(1) Instagram是一款在线图片和视频分享的社群应用软件。—译注
(2) 指系列科幻电影《星际迷航》的粉丝。—译注
(3) 在电子电路中,“与或非门”的作用是实现电路的逻辑功能;在量子线路中,“量子门”起到类似的作用。受控非门和阿达马门是常用的量子门。—译注
(4) 霍格沃兹是英国作家J.K.罗琳的魔幻小说《哈利·波特》中的魔法学校。—译注
(5) 绝对零度,即-273.15℃,接近这个温度时,粒子的运动会接近停止。—译注