薛丁格的貓真能既活又死?

薛丁格的貓真能既活又死?
知識通訊評論第91期

科學家最近的實驗，成功在肉眼可見的物體上呈現出「動」、「靜」疊加的量子狀態，這似乎是奇異量子力學進入真實世界的一個契機。

加州大學聖塔巴巴拉分校克里蘭（Andrew Cleland）教授團隊將一個微型槳狀金屬，冷卻至量子力學所能存在的最低能量狀態（稱作基態）。接著他們利用量子力學奇特的特性，讓此槳狀金屬進入動、靜共存的狀態。該實驗結果證明，量子現象不僅在原子尺度的粒子，日常生活所見之物同樣可行。

該研究成果已立即刊登於《自然》雜誌，同時也在波特蘭舉行的美國物理學會大會上發表。

根據量子力學理論，波動比質點更適合用來描述粒子的行為。這就會有種種奇特現象，包括無法同時測量粒子的確切位置和速度，但是粒子卻可以同時處於兩種看似矛盾的狀態，好比「動」和「靜」可以並存。這種現象就是所謂的「量子態疊加」。一旦外界介入，系統便立刻化為原先疊加中的一態。

量子力學似乎適用於小尺度範圍，但並無證據顯示量子力學不適用於大尺度體系，而系統越大意味其量子態面對外界干擾時更為脆弱。克里蘭說，不曾有人在擁有上兆原子物體的運動狀態上實現量子態疊加。

身為量子力學創始人之一的薛丁格（Erwin Schrödinger），對於將量子力學概念套用在大尺度體系上時所產生諸多弔詭感到不安。他所提出的「薛丁格之貓」便是一例。想像將貓放進一個盒子，盒內放射性物質衰變會觸發機關將裝有氰化物的小瓶砸碎，而將貓毒死。薛丁格認為，假使不去偷看盒子裡發生什麼事，裡頭的貓就處於既死也活的未定狀態。這是他所能想像最荒誕不經的例子。

奇異之美

王海林

克里蘭和他的團隊採取更直接的方式，測量大尺度體系的量子態。他們首先將長約三十微米外形呈槳狀的「量子鼓」與受量子法則支配的超導電路相連接，用以控制其振動頻率。當溫度降至絕對溫度零點一度以下，研究人員確認系統進入了基態，接著啟動量子電路推動量子鼓，使其以特定能量擺動。仔細測量發現，如果量子電路本身以「推」和「不推」兩態共存，那麼電子鼓便呈現出「振」和「不振」的疊加狀態。

奧勒岡大學物理學家王海林（Hailin Wang）儘管在基態諧振子研究上一直是克里蘭的競爭對手，也認為該研究成果十分美妙。他認為量子力學在大尺度系統的表現一如預期，這對物理學家來說不啻為一個好消息。

如果數以兆計的原子可以呈現出特殊量子狀態，何以雙層巴士不能既「駛」也「停」呢？克里蘭認為認為，大體系的量子態容易受外界干擾。環境的影響既大且複雜，量子態的同調性在與大環境交互作用下很快便消失殆盡。

他認為，探究大尺度物體顯現量子態即使困難重重，仍是值得探究的。大尺度的量子態，可以讓科學家進一步了解量子力學與重力之間的關係，這方面有許多道理至今仍不明確。至於量子共振器的用途何在，克里蘭表示樂觀，但目前談應用似乎還言之過早。