一只影響世界的“貓”

趙君鵬

“活著還是死去”，這個問題讓哈姆雷特很頭疼。但這對“薛定諤的貓”來說，根本不是事兒，因為這只貓可以“既死又活”。1935年，奧地利量子力學家薛定諤提出這樣一個設想：將一只貓關在裝有毒藥和少量鐳的鐵盒子里。如果鐳發生衰變，會觸發機關，打碎裝有毒藥的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，在人們打開盒子觀察之前，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓會處于死貓和活貓的疊加狀態，也就是說這只貓既死又活。

雖然這只貓和砸在牛頓頭上的那個蘋果一樣有名，但顯然“既死又活的貓”不像萬有引力那般容易理解，它只是量子力學的一個經典設想。要想認識這只貓，我們得先了解一下什么是量子力學。量子力學是物理學的分支，研究對象是微觀粒子的運動規律，而粒子是能夠以自由狀態存在的最小的物質組成部分。20世紀初，物理學家創立了量子力學，他們研究認為，微觀世界和宏觀世界有著很大的不同，宏觀世界的很多理論在微觀世界是行不通的。比如，粒子可以存在于疊加狀態中，能同時擁有兩個相反的特性。舉例來說，生活中，我們常說“不是在咖啡館，就是在去咖啡館的路上”，而在量子力學看來，粒子是可以處于“既在咖啡館，又在路上”的狀態。但是，人們不能測量粒子，否則就會影響粒子的狀態，從而影響測量的結果。

“薛定諤的貓”形象地說明了微觀世界和宏觀世界的不同。那么，如果條件允許，在宏觀物體上能觀察到這只“既死又活的貓”嗎？量子理論沒有給出回答。物理學中有一個重要問題，就是研究量子世界與現實世界之間的邊界，或許這個邊界根本就不存在。

最近，這個溝通微觀世界與宏觀世界之間的橋梁有眉目了。一個物理研究團隊表示，他們找到了一種方法，能夠讓“薛定諤的貓”進行“繁殖”，也就是讓它更多、更大，將來有一天，這種辦法或許能把量子世界與現實世界連接起來。

這個實驗是亞歷山大·洛沃斯基主導的，他是加拿大高等研究院量子信息科學研究員。他們是這樣進行這個實驗的：將兩束電磁場方向完全相反的連續光束進行疊加，也就是說，利用光波分束器讓這兩束光發生干涉，讓它們處于“你中有我，我中有你”的狀態，然后嘗試著從這些光波出發，培育更高振幅的光波“貓”。他們在其中一個分束器輸出終端上，安裝一臺探測裝置，如果探測器能夠檢測到一個反饋信號，就意味著一只疊加狀態的“貓”誕生了，并且這一只“貓”的能量等于兩只“貓”的能量。換句話說，能量是初始狀態的兩倍。

通過這種方式，研究人員將兩只低振幅的負“貓”合成了一只高振幅的正“貓”。讓研究人員感到興奮的是：這個實驗流程能夠不斷地被重復。也就是說，剛制造出來的“貓”可以繼續被輸入分束器再次疊加，從而再次提升能量等級。用這樣的方法，理論上可以無限放大“薛定諤的貓”，并逐漸逼近量子世界的極限。

量子力學研究是當今科學研究的一個熱點，我國也在進行相關的研究，而且目前已走在世界前列。在未來，量子技術不僅可以用于百姓的日常通信，還可以用在國防、金融等領域，使人們的生活更加方便快捷，工作更加安全高效。