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量子物理学最费解之谜出现新主张:“我的性格不属于我”

发布日期:2019-05-16  来源:网络整理  浏览次数:
导读:在光子之间交换基本属性的拟议实验,将对我们探索现实、理解现实的旅程产生深远的意义。

在过去一个世纪当中,量子物理学领域最令人费解的现象之一,就是粒子性质在接受测量之前可能处于非真实状态。最近的一项最新思想实验表明,这一结论可能还不够到位:粒子的属性——例如其自旋状态——甚至可能根本就不属于粒子本身。换言之,这就像是认定我们的性格并不属于自己。

量子物理学最费解之谜出现新主张:“我的性格不属于我”

这项最新研究宣称,通过所谓“量子柴郡猫”的最新实验版本,可以证明粒子与其属性之间存在着相互冲突的脱节情况。此项实验最初于2013年进行,而名称中的“柴郡猫”则来自Lewis Carroll的不朽名著《爱丽丝梦游仙境》中的知名角色。有趣的是,该书中的柴郡猫本身(相当于实验中的一个粒子)与其微笑(对应粒子的某些属性)也确实彼此脱离。

实验的最新版本以两只笑嘻嘻的柴郡猫开始,其中一只猫停止微笑后,另一只才开始微笑;反之亦然。在量子术语当中,这代表着两个粒子一直在不断交换二者的属性,或者说物理特性。

作为此项研究的共同作者,印度Harish-Chandra研究所(简称HRI)的Arun Kumar Pati指出,“Miels Bohr的观点在于,在对量子系统进行测量之前,我们无法断言其物理属性确实存在,这相当于质疑了物理属性的客观地位。我们的思想实验则让这一观点更进了一步。这些属性不仅不真实,而且就连归属性也存疑。其在更深层次上对现实提出了质疑。”

弱与强的对抗

为了得出结论,Pati和他HRI的同事Debmalya Das采用了一种被称为弱测量的技术。

在标准量子力学当中,检查粒子或原子等量子系统的状态时往往涉及所谓强测量方法,其基本原理非常简单,类似于在光子到达检测器时进行记录。研究人员首先会在一定的初始状态下制备粒子,这一过程被称为预选。接下来,在外力的作用下,这些粒子的量子态会随着时间的推移而发生改变,并最终形成多种形态的叠加。强测量结果会随机将这些叠加状态“折叠”成数种可能的状态之一——这一过程将不可避免地带来破坏性影响。举例来说,如果您正在对光子的位置进行测量,那么强测量虽然能够实现光子定位,但也会破坏这种叠加态。

在另一方面,弱测量则要温和得多。其背后的基本思路可以追溯至1988年,这个理念最初是由Yakir Aharonov、David Z. Albert以及Lev Vaidman所设计,当时三位分别就读于南卡罗来纳大学与特拉维夫大学。三人提出设想,如果测量装置与粒子之间的相互作用非常微弱,结果又会如何?虽然这样的测量方式不会破坏量子态(因此状态会继续演变),但却会带来具有极大不确定性的状态值。因此,如果我们反复进行测量,且作为测量对象的粒子集合拥有相同的准备或者预选前提,那么最终应该能够得到弱测量值的分布情况。

就其本身而言,这种分布并不包含信息量。但只要为这个过程添加一个额外的阶段,情况就会变得非常有趣。在每一次弱测量之后,研究人员们尝试让粒子演进,而后再对其执行破坏性强测量。在此之后,对每个经过预选的弱测量粒子重复同样的强测量操作。由于叠加态会随机崩溃,因此每次强测量都会得出不同的值。现在,只选择那些最终位置符合特定值的粒子——研究人员们将其称为后选择(postselection)。在此之后,丢弃所有最终位置不符合特定值的粒子。Aharonov及其同事表示,现在他们就可以将这些经过后选择的粒子集中起来,把其弱测量值整合为一项“弱值”,从而展示关于粒子属性的某些信息——例如其是否在特定方向上保持着自旋。

这种量子系统测量方法的一大有趣之处,在于其与时间的本质有关。根据Aharonov及其同事开发的数学方法得出,弱值受初始预选量子态(过去)与最终后选择量子态(未来)的影响。通过这种思维方式,我们可以理解成时间实际上是双向流动的,即未来会影响到现在。

属性到底归谁所有?

在2013年进行并于2014年发布结果的首次实验当中,维也纳技术大学的Tobias Denkmayr、查普曼大学的Jeff Tollaksen及其同事利用弱测量成功将“量子柴郡猫”的本体与微笑分离开来。

在他们的实验当中,研究人员将具有特定自转方向的预选中子一个接一个送入分束器——分束器是一种负责将粒子束分为两股的装置。每个进入的中子最终都将处于两种状态的叠加态:取路径A以及取路径B。这两条路径在所谓的干涉仪当中重新组合,从而实现量子态干扰。接下来,将中子朝向输出至探测器。在干涉仪的一条输出路径中,该实验会对中子的特定自旋状态进行强测量。满足这一条件的中子被认定为具有后选择效应,不满足的中子都被实验者们放弃。

对于这些具有后选择效应的粒子,该团队还进行了两组弱测量:一组用于测量粒子的位置,另一组用于测量自旋状态。这些双重测量表明粒子会通过路径B,但其自旋状态的弱值则只能在路径A中测出。如此一来,柴郡猫的本体就与微笑成功分离开来。

创造一只量子柴郡猫

得名于Lewis Carroll的名作《爱丽丝梦游仙境》,这一量子柴郡猫实验旨在将一只“猫”(一个粒子)与其“微笑”(该粒子的某种属性)分离开来。在这项实验(最初于2013年进行,具体流程简化为下图形式)当中,研究人员将具有特定自旋方向(粉色微笑)的多个粒子(一只黑猫)发射通过一套光学系统,其中包含干涉仪、分束器、镜面与探测器。在粒子经过系统时并保持不确定性状态时,其会经历一系列在顺序上经过精心设计的强与弱测量。各粒子会通过两条路径其中之一,但其自旋状态却只会在另一路径中被观察到。换言之,“猫”与其“微笑”被彼此分离开来。

量子物理学最费解之谜出现新主张:“我的性格不属于我”

图片来源:Melissa Thomas Baum, Buckyball Design;资料来源:《在物质波干涉仪实验中观察量子柴郡猫》,作者:Tobias Denkmayr等,《自然通讯》,Vol 5, No. 4492;2014年7月29日。

Tollaksen表示,“从准备粒子而后进行强测量的传统观点来看,我们不可能将粒子与其属性分离开来。”他在2001年的博士论文当中就以柴郡猫悖论为题。

现在,Pati与Das已经将柴郡猫实验扩展到他们的思想实验当中。这一实验不仅能够将粒子与其属性分离,而且能够让一个粒子具有先前与另一粒子相关联的属性,反之亦然。

这一思想实验要求并排放置两个干涉仪,使得每个粒子首先遇到分束器。在经过分束器之后,粒子将进入两种状态的叠加态:取左路径与取右路径。



    

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