薛丁格的貓(Schrodinger's Cat)怎麼了?

■量子力學大師薛丁格提出的詭論,長久以來一直點出量子力學的實徵矛盾性。科學家設計實驗,展示出這種量子性質,並為量子電腦發展提供新思維。

知識通訊評論第70期

Schrodinger_Cat2

這是物理學界最複雜的問題之一:量子世界中微小粒子看似奇異的行為,是如何瓦解,而形成至少比一個分子來得大,讓我們可以觀察到的古典物理學世界?最近的一個實驗進一步地模糊了這兩個領域的界限;該實驗顯示出,我們可以中止甚至是逆轉從量子物理轉變成傳統物理的過程。此一重大進展可能成為量子電腦可行性的重要後盾。(見《量子電腦再進一步》)

根據一九二七年形成的量子力學「哥本哈根詮釋」,觀察一量子物體之時,也就干擾了其狀態,而造成其立即從量子本質轉變成傳統物理現實。原子及次原子粒子的性質,在量測之前並非固定不變的,而是許多互斥性質的「疊加」。

此觀念的知名例子是「薛丁格的貓」矛盾;在這個想像實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一毒氣瓶,在一量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶完好無損。將箱子封閉,此粒子的量子狀態是兩種狀態共存的情況,也就是說毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活,也是死。當箱子打開時,此量子疊加狀態瓦解;在那瞬間這隻貓是被毒死,或得以保命。

Schrodinger_Cat

加州大學聖塔芭芭拉校區的凱茲(Nadav Katz)和同事進行了一項實驗,將一個量子狀態由瓦解邊緣拉回,使其「反瓦解」並回到未被觀察的狀態。這等於是先偷瞄了箱子中薛丁格的貓,但又將其從鬼門關前救回。(參見凱茲的論文:http://arxiv.org/abs/0806.3547)

瑞士日內瓦大學的量子物理學家布提克(Markus Büttiker)表示,對於熟習哥本哈根詮釋的物理學家而言,任何反瓦解量子態的觀念都是「驚世駭俗」的;「當打開箱子時,薛丁格的貓不是死就是活,沒有折衷的可能。」

然而,在量子力學更新的詮釋「去同調性理論」中,量子態瓦解並非在一瞬間內發生,而是隨著量子系統緩慢的與周遭環境交互作用,逐漸完成。二○○六年,加州大學河濱校區的科諾柯夫(Alexander Korotkov)和紐約羅徹斯特大學的喬丹(Andrew Jordan)提出理論假想,也許在一段時間中,實驗者可以進行干涉,來中止量子態瓦解。他們還提出以實驗驗證此想法的藍圖,而凱茲、科諾柯夫以及他們的同事將其付諸實現。

erwin_Schrodinger1

死而復生

這個量子位元可以有高或低兩種能量,凱茲研究團隊的設計使它可以有兩個能量的疊加態;也就是薛丁格貓的同時「既生又死」。任何量測量子位元能量的嘗試,等於是去打開薛丁格的盒子,則會使量子態瓦解為兩種能量值之一。凱茲解釋說,訣竅就是偷偷取得量子位元能量的間接資訊,以避免量子態完全瓦解。凱茲和他的同事創造了一個量子計算實驗中常用的「相量子位元」(其中有一個被絕緣接點中斷的超導電路),來取代薛丁格的貓。這個量子位元是迴路上電流大小的波動,而電流大小可由其流經接點時,相位的不一致量測得知。

該研究團隊利用的是一種被稱為「穿隧」的量子效應:量子級的小粒子即使能量不足以超越能量障壁,卻可以藉此種效應來達成。
在此研究中,凱茲團隊改變流經電路的電流,以調控阻礙量子位元改變相位的「能障高度」。該能障足以防低能量的量子位元改變相位,但高能量的量子位元則可能進行此轉變。所以,觀察量子位元是否改變相位,此時放出的磁能洩漏了天機,就可以提供量子位元能量態的資訊。

凱茲表示,如果量子位元成功穿隧,就不好玩了。這意謂該量子瓦解為高能態,還完成了穿隧效應。凱茲說:「那就玩完了。」這等於完全打開盒子、看到活生生的貓,還把牠放了。

時空旅行

如果量子位元並未穿隧,那就有趣了。這表示它很可能是屬於低能態。但凱茲表示,關鍵是你並不能完全確定,所以此量測並未使量子系統完全瓦解,「我們只瞄了貓一眼,就把盒子蓋回去了」。

但是,這樣「弱」的量測仍然會稍微干擾量子系統。凱茲表示,如果實驗就此結束,此干擾仍足以逐漸使量子系統瓦解。他的研究團隊量測了幾千個以類似方法做成的量子位元,並就在那個時間點結束實驗,並且在統計上確認了上述的結果;這樣的量測顯示,絕大多數的實驗中,這樣的量子系統會瓦解為低能態。也就是說,如果再度開箱,多半會看到死貓一隻。

凱茲表示,若要解除量子態的瓦解,該研究團隊得在其走完瓦解過程前,「彌補我們對其造成的傷害」。他們用了對量子位元發射特定的微波脈衝的方法(交換量子位元能態的標準技術),使高能態量子位元轉為低能態,低能態者轉為高能態。因為有此交換,當他們再度進行前述「弱量測」時,產生的干擾正好抵消第一次量測的效應。凱茲解釋,第一次偷瞄把貓推上死路;第二次偷瞄則將其推回原本的生機。

他們的研究團隊進行實驗多次,量子瓦解為高、低能態的機率大致相同;統計上,這再度確認了此量子態回到了原本未被量測的狀態。實驗結束時量測量子態,他們觀察到高、低能態的可能性相等。

布提克說:「數據很明確;這是個突破性的實驗。」

英國里茲大學的量子物理學家威德(Vlatko Vedral)說,此研究結果表示一大警訊,我們對古典物理現象如何出現的認識可能過於簡化。「這告訴我們,不能假設觀測創造事實,因為我們完全可能抹掉觀測造成的影響,從頭再來過。」

澳洲墨爾本大學的量子物理學家修陸斯豪舍(Maximilian Schlosshauer)為此加了一個註腳:「量子世界變得愈來愈可促觸及,而事物實相的本質則愈來愈加神秘。」

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9 thoughts on “薛丁格的貓(Schrodinger's Cat)怎麼了?

  • 2014 年 04 月 25 日 at 15:18:31
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    薛丁格的貓還是一如往常的困難
    有時候甚至感覺都快變成哲學問題了

    唯一可以確定的是 薛丁格是貓咪公敵了XD

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  • 2016 年 10 月 10 日 at 20:44:15
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    (1) Radioactive material has a 50:50 chance of triggering geiger counter

    其中, 50:50 是錯誤的 是100:100 才對, 是同時發生, 所以悖論, 50:50代表仍不懂悖論.

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  • 2017 年 03 月 05 日 at 03:51:35
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    薛丁格的貓實驗及電子的雙狹縫實驗的結果與我們人類是如何看到物體有關。看物體有三個基本因素-觀察者、被看物和光。人類看到物體或物體在人腦中成像需零點幾秒。腦中成像之前,我們是看不見物體的。現在把看物體的過程細分一下,光線(載波)打在物體上,物體的信息搭上載波(光)進入觀察者的眼睛,人體內對進來的信號進行解調(即將物體信息與載波分離)、分析(在此之前,我們還沒看見物體呢),最後在腦中成像。成像的瞬間就是我們看到物體的時刻。成像前,我們既看不見物體的信息也看不見宇宙射線(光或載波),看不見就是不確定,就是哪兒都在或哪兒都不在。這是否解釋了波爾與愛因斯坦兩派間的“月亮”之辯論。電子本質是波(線理論),其粒子性是被我們借助探測頭給看成的。宇宙的樣子與什麼樣的觀察者有關。人類這個結構的物種把強宇宙射線在腦中成像出白天或亮來,把弱宇宙射線成像出晚上或暗來;而貓頭鷹卻正好與人類相反。

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  • 2017 年 07 月 06 日 at 16:41:05
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    前提
    貓為一物質波函數
    時間為x 每一個物質波函數皆牽動另一物質波函數
    一般我們選擇的x所對應到的y是死亡
    但如果我們跳脫慣性時間所看到的貓便有可能是活的
    而在我們並未選定x也就是觀察時間時 貓也不回介於折衷狀態
    而我們看到的貓的生死其實也不過就是我們選定的x所對應出來的y
    而在我們沒有選定x的時候函數依然穩定的存在
    並部會處於所謂的折衷狀態

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  • 2017 年 12 月 20 日 at 17:48:10
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    為什麼不是貓的薛丁格..既生又死的科學家

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  • 2018 年 01 月 17 日 at 05:16:12
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    觀測為什麼會造成波函數蹋縮?
    有人真的有認真思考過這個問題嗎?
    也許永遠沒有存在著一個單一的原因,就能夠造成量子脫散
    若是提出一個有趣問題:人是由什麼組合而成的?
    那麼相信答案可以是成千上萬種的!

    這個世界由無限多又複雜的無機丶有機及最小單位的質體
    經過無數奇妙的演繹,才孕育出各種奇妙的生命體
    然而至今我們仍然無法「真正地」了解,為什麼有暗物質丶量子泡沫丶黑洞丶大爆炸等成因
    是因為「原因絕不單純」

    而假設波函數蹋縮的成因是以能量來作為一個重要參數
    那麼能量的成因又為何?有沒有閾值上下限?如何控制能量?可以控制的穩定性標準如何定義?
    找出答案就會演生問題,好比我們雖然了解遊戲規則,並不代表能夠搞定一切

    我猜這篇實驗的用意其實很簡單
    就是想盡辦法去控制量子態處在一個疊加的狀態!
    用一個好玩的比喻形容:
    好比一個死人用電撃將他救活,救活了再施以過量嗎啡將他致死
    而且反覆執行以上的動作,讓他一直活著,也一直死著!

    薜丁格先生的貓是死是活的比喻其實非常好玩
    但是永遠記住,事情永遠沒有像表面上看到的簡單
    也許貓並不是死的也並不是活的,而是在打開盒子之前就已經確定?

    假設在波函數塌縮之前,也就是在態疊加的時候,已經先確定「結果」了
    這個結果是一個註定性的,與機率無關
    波函數塌縮只是呈現出「像是結果的現象」
    那麼這樣聽起來
    「機率」有沒有可能就只是一個障眼法呢?

    有沒有可能大家都被上帝擺了一道?呵呵⋯⋯誰知道呢?
    「真正的答案」永遠都只會出現在「未來」呀!

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  • 2019 年 05 月 08 日 at 00:40:47
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    《量子世界的奧秘》
    薛丁格貓的假想實驗。實驗所代表之意義。
    量子力學告訴我們:除非進行觀測,否則一切都是不真實的。量子態從不確定到確定,必須要有意識的參與,這就是爭論到最後大家的結論。從微觀世界的不確定到宏觀世界的確定,人的意識在其中是觸發、溝通的媒介與橋梁,站居關鍵的地位,宏觀世界展現給我們看的面貌,會依我們觀測方式的不同而有所變異。
    量子力學的思想理論,由微觀的量子世界到宏觀的現實生活中,都是一體適用,觀測者創造現實,人的意識是物質領域的創造者,人在基本層面上參與了宇宙的規律,每一個人都是自己一生的觀測者,都參與了自己個人意識所創造的現實生活,也就是說,不同的思想就有不同的人生。

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  • 2019 年 05 月 08 日 at 00:41:48
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    《量子世界的奧秘》
    量子狀態疊加與坍縮。
    原理所代表之意義。
    一個量子系統中,具有不同的量子態,所有的量子狀態疊加,共同形成此一量子系統。在測量執行之前,所有狀態的發生都是一種可能性,以概率波函數來表達出各種狀態發生的概率大小。
    每一種量子狀態的發生,都是一種概率,以概率波函數來代表,直到被測量時才坍縮成其中的一種,此一系統我們稱之為具有量子態的量子系統。
    測量這個〝人的意識參與〞此一動作,讓欲測量的物理性質從無變有,結果從不確定到確定。也就是說,在測量執行之前,所有的狀態都是一種可能性,以概率波函數來表達出各種狀態發生的概率大小。
    由於微觀粒子具有波粒二象性,微觀粒子所遵循的運動規律就不同於宏觀物體的運動規律,描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同於描述宏觀物體運動規律的經典力學。當粒子由微觀過渡到宏觀時,它所遵循的規律也由量子力學過渡到經典力學。
    宏觀世界是微觀世界的量化累積,因此,宏觀世界中也具有量子現象。事情的發生或未來的走向,在人的意念尚未參與確定之前,各種狀況的發生都是一種概率,也就是都有可能發生,只不過概率高或低的問題;當人的意念參與確定之後,事件的發生或未來的走向,就會隨著人的意念好壞與方向而產生偏移,其它狀況發生的概率就會消失。

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  • 2019 年 05 月 08 日 at 00:42:20
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