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“薛定谔的猫”有了新答案?日本物理学家称可让猫“死而复生”

前瞻网  2.79万阅读  2019-11-08 16:03:10

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薛定谔的猫是一种著名的以猫为基础的思维实验,它描述了亚原子粒子的神秘行为。

假设中,猫和一个毒气装置被放在一个黑盒子里,毒气装置有50%的可能性被随机打开,在观测者打开盒子之前,他永远不知道猫是处于活的状态还是死的状态,于是猫处于两者的叠加态,正如亚原子粒子同时会以多种状态叠加存在。

10月1日发表在《新物理学杂志》(the New Journal of Physics)上的一项研究描述了一种既能观测到猫,又不会确定其状态的方法。

通过这样做,它促进了科学家对物理学中最基本的悖论之一的理解。

在我们这个普通的、宏观的世界里,观察一个物体似乎不会改变它的状态。但如果把观察的尺度足够放大,就不是这样了。

该研究的第一作者、日本广岛大学物理学副教授霍尔格·霍夫曼说:“我们通常认为,我们为观察所付出的代价是微不足道的。”

“这是不正确的。为了观察,你必须有光,而光会改变物体。”

这是因为即使是一个光子也会将能量从你所看到的物体中转移出去或转移到它身上。

霍夫曼和当时在广岛大学(Hiroshima University)做访问本科生、现在在印度理工学院孟买分校(Indian Institute of Technology Bombay)工作的卡尔蒂克·派特卡尔(Kartik Patekar)想知道,有没有一种方法可以让人们在不“付出代价”的情况下观察事物。

他们得出了一个数学框架,这个框架将最初的互动(观察猫)和读数(知道猫是死是活)区分开来。

“我们的主要动机是非常仔细地观察量子测量是如何发生的,”霍夫曼说,“关键是我们把测量分为两个步骤。”

通过这样做,Hoffman和Patekar能够假设所有参与初始相互作用、或因观察而产生的光子都被捕获了,而没有丢失关于猫的状态的任何信息。

所以在读数之前,所有关于猫的状态(以及观察是如何改变它的)的信息都是可用的。只有当我们读取信息时,我们会失去一些。

霍夫曼说:“有趣的是,读取过程会选择这两种信息中的一种,然后完全抹去另一种。”

下面是他们如何用薛定谔的猫来描述他们的工作。

他们假设猫还在箱子里,但与其向箱子里观察猫是死是活,不如在箱子外面架设一台能拍到箱内照片的相机 (为了思维实验,忽略了一个事实,那就是物理上这样的相机不工作)。

一旦照片被拍摄下来,相机就会有两种信息:猫是如何因为被拍摄照片而改变的(研究人员称之为量子标记),以及在互动之后猫是死是活。这些信息都还没有丢失。

取决于你如何选择“发展”图像,你检索其中一个或另一个信息。

霍夫曼在接受Live Science杂志采访时表示,就像抛硬币一样。你可以选择是知道一枚硬币是被抛了或其现在是正面还是反面。但你不可能两者都知道。

更重要的是,如果你知道一个量子系统是如何变化的,如果这个变化是可逆的,那么就有可能恢复它的初始状态(如果是硬币,你可以把它抛回去)。

“你总是要先干扰系统,但有时你可以撤销它,”霍夫曼说。

就猫而言,这意味着拍一张照片,但不是把它冲洗出来看清楚,而是让猫恢复到死而复生的状态。

重要的是,读数的选择需要在测量的分辨率和干扰之间进行权衡,二者是完全相等的。

分辨率是指从量子系统中提取了多少信息,而扰动是指系统发生了多少不可逆的变化。换句话说,你越了解猫的当前状态,你就越无法挽回地改变它。

霍夫曼说:“我发现令人惊讶的是,消除干扰的能力与你观察到的信息(或测量到的物理量)有多少直接相关。”

“这里的数学是相当精确的。”

澳大利亚国立大学(Australian National University)的理论物理学家迈克尔·霍尔(Michael Hall)在电子邮件中表示,尽管之前的研究指出了在量子测量中分辨率和干扰之间的权衡,但这篇论文是第一次对确切的关系进行了量化。

“据我所知,以前的研究结果中,没有一个是关于分辨率和扰动的确切的等式,”Hall说,他没有参与这项研究。

“这使得论文中的方法非常简洁。”

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