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引力杀死了“薛定谔的猫”

引力杀死了“薛定谔的猫”
扭曲的时空造成了量子效应在大尺度物体上的消失

　　在埃尔温·薛定谔那个著名的思想实验中，量子世界里的猫既是活的又是死的，它处在活与死的叠加态上。但为什么在日常的宏观世界中我们看不到这类现象呢？物理学家的解释是环境的干扰所致：处在量子叠加态上的物体一旦与其他物体或者场发生作用，它就立刻坍缩到其中一个本征态上，与日常世界中别的物体一般无二。

　　但维也纳大学的研究者近期表示，哪怕物理学家可以完全隔离出一个处在量子叠加态的宏观物体，它仍然会自发坍缩到一个态上——至少在地球上是这样。“或许在星际空间的某处，猫可以持续保持在量子相干态上，但在地球上，或是在任何行星的周边，很难做到这一点。”物理学家 Igor Pikovski 说，“而造成这一切的原因，就是引力。”

　　Pikovski 和同事们的这一想法发表在 6 月 15 日的《自然·物理学》（Nature Physics）上，到目前为止还停留在数学论证的阶段。但也有实验物理学家对此深感兴趣，希望用实验来检验一下引力到底是不是量子叠加态坍缩的原因。来自英国南安普顿大学的实验物理学家 Hendrik Ulbricht 表示：“这真是一个新颖而酷炫的想法，我愿意努力把它付诸实践。”不过他也补充说，根据目前的技术而言，想要设计并做出这样的实验，可能需要十年之久。

　　引力是如何使薛定谔的猫坍缩的？

　　如果你看过去年的大片《星际穿越》（Interstellar），你可能就已经熟悉了爱因斯坦广义相对论中所提出的这条原理：大质量物体周围的时间流逝会变慢，因为极强的引力场会改变周围时空的结构。这就是为什么在电影中黑洞周围只过去一小时，地球上就已经过了七年。而引力改变量子效应所依据的也是这条原理：在更微观的层面上，地球附近的一个分子受到地球引力的作用，它所经过的时间也会比遥远空间中的时间稍微慢一点点。

　　Pikovski 的团队发现，由于引力对时空的影响，分子位置的变化会影响它的内能，即分子内部粒子的振动能量，其也会随着时间而演化。假如一个分子处于两个位置的叠加态上（即“既在这里，又在那里”），位置与内能之间的关联会使得它迅速发生“退相干”，即坍缩到一条路径上。Pikovski 补充道：“在大多数情况下，退相干都是由某种外部因素导致的，但在这里我们发现，分子内部的振动似乎也会影响分子本身的运动。”

　　实验的局限性

　　到现在为止还没人能亲眼看到这种效应的发生，这是因为磁场、热辐射和振动等等因素造成的影响更大，在这些因素的干扰下，还没等到引力发挥作用，量子系统早就已经先坍缩了。但实验学家仍然渴望尝试验证这一想法。

　　同样来自维也纳大学的实验物理学家 Markus Arndt 于 2011 年设计了一个实验，检验量子叠加在稍大的物体上能否成立。他让大分子通过一个物质波干涉仪，摆在它面前的有两条路径。在经典世界中，分子只会通过一条路径；而如果分子具有量子特征，它会同时通过两条路径，并且自己与自己发生干涉，形成特征性的干涉条纹（见下图）。

引力杀死了“薛定谔的猫”

Juffmann, T. et al Nature Nanotech 7 297–300 (2012) 像酞菁这样的复杂大分子也能形成量子干涉条纹

　　采用类似的仪器也可以检验引力能否影响物体的量子行为：在垂直放置的干涉仪中，引力会造成时间的延迟，从而破坏物体的相干态；而在水平的干涉仪中，引力不会对物体的状态施加额外的影响，量子叠加态得以保持。Arndt 已经使用由 810 个原子组成的分子做了实验，他指出，为了测量引力的效应，需要采用比这更大的分子，因为分子越大，分子中各个原子的运动自由度带来的内能贡献也就越大。除此之外，研究者还需要严格控制外界环境的影响，以减少其他可能导致退相干的效应，同时把两条路径之间的距离从毫米量级增加到米量级，或者把分子质量提高 100 万倍。“显然，这是极具难度的挑战。”Arndt 说。

　　如果引力的确限制了地球上的量子行为，对更大物体的量子检验最终就得挪到太空中进行了，来自意大利的里雅斯特大学的物理学家 Angelo Bassi 说。“但从更深刻、更本质的角度来看，这也并不是什么新观点，”他说，“引力场归根结底也只是一种会与量子系统相互作用的影响因素，所以就算把实验放到没有引力的宇宙空间里做从而消除了引力的影响，我们也无从得知量子行为是否最终会引向经典实在。”

　　Pikovski 与同事们描述的这一效应中也并未提到所谓的“量子引力”：量子引力（quantum gravity）是把引力与量子力学统一起来的理论，目前是很多理论学家尝试研究的目标。Bassi 说：“我们所描述的效应只是将量子物理应用到经典广义相对论上得出的，它并没有整个改变对世界的描述方式。”（撰文 Elizabeth Gibney，翻译丁家琦）

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