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一切皆量子
2009-07-09  【 】【打印】【关闭

文章来源:Nature 2008年05月01日

  与直觉相悖的量子力学原理是如何作用于我们的宏观世界的?是否可以确信,即使在没有观测者的情况下,我们的宏观世界也不会表现出量子态?

 

[图片说明]:版权:D. Parkins/Nature。 


  基思·施万布(Keith Schwab)正在量子和宏观之间搭建桥梁。根据绝大多数人的标准,这些桥梁非常微小,它们只有大约8微米长、0.2微米宽,在显微镜下才能看到。但是在施万布眼里,它们却非常巨大。这是因为他希望能看到它们按照量子力学规律运动,而在量子力学中经常会出现古怪和难以想像的现象,例如一个粒子可以同时出现在两个地方。量子力学通常被认为主宰着单个的原子,而这些由几百亿个原子组成的桥梁则不在它的掌控范围之内。 
  这是一个雄心勃勃的目标。但是来自美国康乃尔大学的施万布仅仅是全世界众多有关的实验物理学家之一,他们的共同目标是探索现代物理学最大的谜题之一——从量子力学到经典力学之间的转变(量子-经典转变)。在这个转变中,随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度,模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界。如果这些实验成功地证实了目前有关这一转变的理论,那么它将为长期以来对量子理论的成见划上句号。 
  在早期,量子力学家们处理量子-经典转变就像是变戏法,他们不得不在量子力学中加入一些东西才能使它转变到经典物理。但是现在有强烈的迹象表明,量子理论本身可以自然而然地出现这一转变。如果确实如此,那它暗示着“经典”物理只不过是另一种量子现象而已。“有充分的理由相信,我们和量子理论所描述的微观原子和电子一样是量子世界的一部分,”澳大利亚墨尔本大学的量子理论学家马克西米利安·施洛斯豪尔(Maximilian Schlosshauer)说。 
  检验新的量子-经典转变理论牵涉到从光子到超导再到微观振梁的一系列实验。由于这些实验的目的是为了寻找宏观物体上的量子效应——类似于探测一只苍蝇落在旧金山金门大桥上所造成的桥体沉降,因此它们会将现有的实验技术推向极限。除了自身很小以外,这些效应还会快速减小,以致于许多物理学家相信去探测这些效应本身就显得荒诞可笑。“一些人会说:‘量子力学当然会起作用——书上就是这么写的’,”施万布说,“另一些人说:‘量子力学肯定不会起作用——这些家伙肯定是疯了’。” 
  当前对这一现象的研究又有了迫切的现实意义,认识量子-经典转变对于新兴的量子信息技术领域至关重要。而这一领域有望在未来为世人提供超高速的量子计算技术以及极其安全的数据加密和传输技术。这些现实的应用可能要倚赖于在大尺度上抑制宏观行为同时又维持物体量子特性的能力。 
  部分地来讲,这是一项技术上的挑战,而有关量子-经典转变的实验将有助于研发相应的技术手段。但同时这也是一个对基本理论认识的挑战。一些物理学家认为,今天对于量子行为的解释和当年尼尔斯·波尔(Niels Bohr)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)、阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)以及其他人创立并且争论这一理论时如出一辙。“这是一个激动人心的话题,”美国马里兰大学的量子技术专家克里斯·门罗(Chris Monroe)说,“一些人坚持认为这里不存在问题。另一些人则坚持存在无穷多个宇宙,每个宇宙各自对应于一个确定的量子态都有一个经典的描述。”(见“火流星”网站之《我在这里,我在那里》、《多重世界中的多重生活》)随着对量子-经典转变的解释变得越来越成熟,将其赴诸于实验的可能性越来越大,距离我们能够回答这一悬而未决的问题的那一刻也越来越近。

 

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