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薛定谔猫的幽灵:量子态的内部游荡与测量的性质

时间:2024-06-08 百科知识 版权反馈
【摘要】:量子状态无论是简单还是复杂,按照薛定谔在1926年得到并以他名字命名的方程演进。这个陈述包含两个因素:猫的实际量子态和我们正在进行的测量的性质或特征。但同时,薛定谔方程的线性保证这个状态仍然是由两种不同事物的同等部分构成的——换句话说是叠加的。所以,在任何实际意义上,我们绝不能查看叠加的去向,它在猫的持续变化着的内部量子态中游荡,像一个绝不能被捕捉或确切测量的幽灵。

薛定谔猫的幽灵:量子态的内部游荡与测量的性质

45.薛定谔猫的幽灵

果真这么简单吗?由于有了这样一种认识,即猫的“活的”或“死的”量子态不是静态的而是动态的,并且精细的内部的规格不断地从一个个别状态推移到另一个个别状态,测量问题似乎已经消失。关于古典系统中不可逆性的出现,所发生的可以说本质上是所涉及的大量状态的一个结果。古典系统中的不可逆性——不同颜色的豌豆的混合甚或一滴染料与绵糖的混合——包括含着在许多可能的内部位形之间如此迅速而全面的混合,以致初始的非混合态的所有记忆被有效地丢失。类似地,甚至量子猫以一个真正的活的和死的叠加态开始之时,精确的调整也要求承认,这种叠加态由于猫的状态在几乎无数可能之中不断变化而被分裂。

但这里提出一个类似于严格古典情况下发生的问题。如果这些活的和死的量子态如此之快地在它们之间乱动,难道初始的半死半活的叠加态就没有可能自发地重现吗?不管多么希奇少见,一只完全普通的猫就不能不知不觉地发觉自己转变成一只半死半活的猫吗?甚或一只死猫因此变成一只真正的活猫吗?

所有这些问题的答案是一个反响:“可能,但不能真正做到。”

存在这样的机会,虽然很小但可以预想到的,我们如此费力地抖动豌豆箱以使豌豆能不知不觉地分开,以至于许多黄豌豆出现在一个角落里与其他的绿豌豆分开。也有这样的机会,虽然很微小,但仍是可预想到的,即染料分子偶然聚在一起重新形成一滴染料,如同开初在绵糖表面上的那滴染料一样。即使在古典物理学中也有那些似乎违背因果律的事件发生的余地,只是在任何实际意义上它们如此不可能以至于我们能够忘记它们。

由于本质上相同的理由,量子力学的去相干过程也是正当的,即初始的相干叠加态迅速消失。一个有限的并且可预想到的可能性是非相干偶尔也能表现逆型,使相干态重新出现。举个极端的例子,作为一个异想天开地去相干的表示,一只死猫突然作为一直活猫出现,这不是完全不可能的。把适当混合的原子放在桶里搅拌,使之聚集成一只会呼吸的猫,这也不是不可能的。这并不是我们真正需要烦恼的那种事情。

但有一种更巧妙的继续初始叠加记忆的方式,并且它有助于说明去相干的原因。虽然这种想法已存在很长时间了,只在最近十年左右才作为理解量子测量中明显的限定性和不可逆性的一个基本因素而被广泛接受。

量子状态无论是简单还是复杂,按照薛定谔在1926年得到并以他名字命名的方程演进。他的方程式有数学家所谓的线性属性;这意味着这方程的任何两个独立解相加也形成一个解。这还有另一个暗示:这方程的任何两个独立解相加作为一个解,一般说来保留两个独立部分之和,每个都像单独情况下那样演化。这对于叠加态的演化具有重要意义,它可以数学地写成对应于叠加态的独立部分之和。和依然是和,叠加还是叠加。(www.xing528.com)

这似乎与我们刚知道的使叠加消失的去相干相矛盾,并且这点被约翰·贝耳抓住作为反对这样一种思想的论证,即去相干可以是测量问题的一个可靠的和完备的解释。这个明显矛盾的解决包含着另一种微妙之物,它出现在从细节的量子态(猫体内所有原子的分布)到可观察的宏观态(猫的死活)的进程中。当然,我们并不知道如何按照猫的基本量子态表达活和死,但原则上它必定是可能的;必定有某种复杂的数学结构,对于所有组份的任何给定的明确的量子态,它或者说是——猫是活的,或者说不——猫是死的。(如果你愿意,你可以设想一个复杂的数学表达式,把猫的原子和电子的所有量子信息代入,你就可以由它得到一个简单的数值;如果这数值是正的,猫就是活的;如果它是负的,猫就是死的。)

我们从猫处于某种奇异的活和死的叠加态着手说明去相干。这个陈述包含两个因素:猫的实际量子态和我们正在进行的测量的性质或特征。叠加态必须按照量子系统及其测量的某种东西表达。例如,考虑一个刚穿过斯特恩—革拉赫磁铁的电子及其你能辨别的向上的自旋。这个电子相对于一个垂直的斯特恩—革拉赫磁铁可以认为处于明确的“上”态,而相对于另一个水平的磁铁这同一个电子则处于一个叠加的“半左半右”状态,因为它以相同的概率从或左或右的通道出来。因而这个电子,相对于一个测量处于一个确定的状态,而相对于另一个测量则处于不确定的叠加状态。

再回到猫,正如我们讨论过的那样,相对于一个死活的测量它处于一个叠加态。如上述所强调的那样,去相干使这个态在所有可能的个别的死猫或活猫量子态中迅速地随意选择,以至于那个初始的特殊的相干丢失。但同时,薛定谔方程的线性保证这个状态仍然是由两种不同事物的同等部分构成的——换句话说是叠加的。

对于这个左右为难之状况的说明是,虽然起始的叠加态不能简单地消失,当猫的量子态在所有可能的内部猫态中乱动时,它必定经历不断地变化。开始作为相对于死活测量的一个叠加,被不断地并且不可预料地转变为相对于其他一些测量的诸多叠加态——那些测量,我们或者没做或者不能做。

那些其他测量会是什么呢?我们知道,猫的死活原则上可以由基于它的原子和电子的详细量子分布的某种数学表达式表示。但恰如有数以万亿计的可能的猫的个别量子态一样,那些分布结合成原则上能测量的猫的宏观性质的不同方式也是数以万亿计的。一个这样的数学表示可能会告诉我们,例如,不是这猫活或死,而是它恍或惚,并且暂时处于半死半活叠加态的猫可以转瞬之后就处于半恍半惚的叠加态。然后,立即它又转变成其他的某种东西。

当然,问题在于我们不知道半恍半惚是什么或如何测量它们,因为它们只是猫的原子和电子的个别量子态的某种任意的结合。并且,即使我们有设备测量恍或惚,我们也没有足够的时间进行一个精确的测量,因为相对于那个性质这个叠加态在去相干把它变成其他某种东西之前只是持续很短的时间。

所以,在任何实际意义上,我们绝不能查看叠加的去向,它在猫的持续变化着的内部量子态中游荡,像一个绝不能被捕捉或确切测量的幽灵。

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