把三只鴿子放到兩個(gè)鴿籠里，并使任意兩只鴿子都不在同一個(gè)籠子里，這在日常生活中是不可能的事情，在量子世界中卻能實(shí)現(xiàn)。
撰文 丁家琦
幾十年來(lái)，量子力學(xué)的奇異性都是通過(guò)“薛定諤的貓”這一思想實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)的：把貓關(guān)在盒子里，盒子里放有一個(gè)放射性原子，發(fā)生衰變的概率為50%，一旦原子衰變，放出的射線就會(huì)觸發(fā)瓶子里的毒藥把貓毒死，因此貓活下來(lái)和死去的概率各為一半，或者說(shuō)，在盒子打開(kāi)之前，貓?zhí)幱诩仁腔畹挠质撬赖臓顟B(tài)。
不過(guò)薛定諤的貓怕是要過(guò)時(shí)了——科學(xué)家提出了新的量子“鴿籠”難題：可以把三只鴿子放到兩個(gè)鴿籠里，并使同一個(gè)鴿籠里不能有兩只或以上的鴿子嗎？
按照常理，把三只鴿子放到兩個(gè)鴿籠里，無(wú)論如何都會(huì)有兩只（或是三只）鴿子在同一個(gè)鴿籠里，這被稱為“鴿籠原理”，違背它好像是不可能的。但在量子世界，沒(méi)有什么事情是絕對(duì)不可能發(fā)生的。美國(guó)查普曼大學(xué)教授亞基爾·阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov，1932年生于以色列，曾與戴維·博姆共同提出量子力學(xué)的Aharonov-Bohm效應(yīng)而獲得1998年的沃爾夫獎(jiǎng)）與合作者近期在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表論文，稱他們已經(jīng)找到了方法，可以把三個(gè)（甚至無(wú)限多個(gè)！）粒子放在兩個(gè)盒子里，同時(shí)保證沒(méi)有兩個(gè)粒子在同一個(gè)盒子里。
而秘訣，當(dāng)然是利用量子力學(xué)奇妙的非局域性“魔法”。在量子世界，一個(gè)物體可以同時(shí)位于兩個(gè)地方。研究者讓每一個(gè)粒子都處于同時(shí)在兩個(gè)盒子內(nèi)的疊加態(tài)上，再對(duì)三個(gè)粒子的態(tài)進(jìn)行一個(gè)變換，就能找到一種情況，使任何兩個(gè)粒子的態(tài)都不在同一個(gè)盒子里。
不過(guò)，有一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題：量子力學(xué)的非局域性只在沒(méi)有觀察/測(cè)量的時(shí)候才成立，就好像薛定諤的貓只有在打開(kāi)盒子之前才能處于既活又死的狀態(tài)，一旦打開(kāi)盒子觀察，貓就會(huì)“坍縮”成兩種狀態(tài)中的一種，要么活著，要么死去。同理，一旦觀察了粒子，每個(gè)粒子就會(huì)確定無(wú)疑地落到兩個(gè)盒子中的一個(gè)中，不可避免會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)粒子處于同一個(gè)盒子中的情況。而如果不能直接觀察，我們?cè)撊绾未_認(rèn)粒子違反了鴿籠原理呢？
論文合作者之一，查普曼大學(xué)的杰夫·托拉克森（Jeff Tollasken）說(shuō)：“如果你手中只有錘子一種工具，你就只能用錘子釘釘子的方法來(lái)對(duì)待一切事物，但這種‘板上釘釘’式的直接測(cè)量并不適合所有情況，尤其是在量子力學(xué)領(lǐng)域?！?/p>
這個(gè)難題困擾了阿哈羅諾夫多年。在近20年中，他和同事們一直在研究一種新的“弱測(cè)量”（weak measurement）方法。如果說(shuō)普通的測(cè)量就像用錘子轟擊被觀察的盒子，確定無(wú)疑但也摧毀了量子系統(tǒng)，弱測(cè)量方法就像用手指輕輕敲擊盒子，在觀察的同時(shí)仍能保持每只“鴿子”仍處于疊加態(tài)上。
在論文中，阿哈羅諾夫與合作者提出了兩種實(shí)驗(yàn)方案可以違反鴿籠原理，一種使用電子作為“鴿子”，一種使用原子。使用電子的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如下，將三個(gè)電子平行射入分束鏡BS1，分束器將三個(gè)電子將被分為透射和反射兩束，這就對(duì)應(yīng)了三只鴿子和兩個(gè)鴿籠。如果兩個(gè)電子處在同一束，它們之間就會(huì)發(fā)生相互作用，使運(yùn)行的路徑發(fā)生改變，而如果兩個(gè)電子分別處于兩束路徑中，由于距離較遠(yuǎn)，它們之間就沒(méi)有相互作用。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家需要多次入射三個(gè)電子組成的電子束，最終觀察打在探測(cè)器D1的屏上的所有電子累積形成的圖案，通過(guò)圖案就能區(qū)分任兩個(gè)電子是處于同一個(gè)“籠子”里，還是來(lái)自不同的“籠子”。
阿哈羅諾夫所設(shè)想的這一實(shí)驗(yàn)，在將來(lái)很可能得以實(shí)現(xiàn)——至少他所提到的弱測(cè)量方法已經(jīng)由托拉克森和另一位合作者，維也納理工大學(xué)的長(zhǎng)谷川祐司在物質(zhì)波干涉儀實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，并于去年12月發(fā)表在了《物理評(píng)論A》上（Phys. Rev. A 92, 062121）。
阿哈羅諾夫稱，這一研究不僅提出了量子力學(xué)中此前一直被人忽視的有趣現(xiàn)象，也促使我們深入探索量子力學(xué)與大自然中的本質(zhì)特性，如非定域性、相干和可分離性等等。托拉克森表示：“現(xiàn)在要想談?wù)撨@個(gè)研究有什么深遠(yuǎn)意義或許還太早了一些，但對(duì)于量子力學(xué)基本概念的探索無(wú)疑是重要的。”
聯(lián)系客服
