薛定谔的小猫咪们长大了

© Clayton Junior

利维坦按：

1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了那只著名的猫：被关在箱中的它，在量子理论的逻辑下似乎同时处于“活着”与“死亡”的叠加状态。这一思想实验原本是为了揭示量子力学的荒诞之处，但近一个世纪后，科学家们却开始认真地制造属于现实世界的“薛定谔小猫”。

从微弱光场中的量子叠加态，到由数千亿个粒子共同构成的宏观量子系统，研究者不断将量子效应推向越来越大的尺度：当“量子小猫”逐渐成长为接近肉眼可见的庞然大物，它们不仅挑战着我们对现实本质的理解，也成为检验引力、时空乃至宇宙基本规律的重要工具。

1935年，埃尔温·薛定谔实在忍无可忍了。

十年前，这位大胆的维也纳物理学家凭借他的“波动方程”彻底改变了量子力学这门新兴理论，描述了量子粒子如何能像波一样运动。此后，他眼看着一些研究者借用他的理论，炮制出他认为荒诞不经的量子理论诠释——这种诠释似乎否认了原子或亚原子粒子等量子客体在被观测之前的实在性。

薛定谔给同为怀疑者的阿尔伯特·爱因斯坦写了一封信，在信中描述了一个思想实验：一个量子事件可能会、也可能不会杀死一只藏在箱子里的猫。薛定谔说，假设这只猫在被观测之前既是活的又是死的，而仅仅是观测这一行为就能迫使自然做出非此即彼的选择——这是多么荒唐啊！

通过使量子行为能够影响足够大的物体，以至于我们能够看到、甚至触摸——薛定谔想要揭示赋予观测行为“召唤实在”之力量的荒谬性。

1934年8月，薛定諤圣地亚哥－德孔波斯特拉。© CCCB

一个世纪以来，这个思想实验持续引发关于量子理论中“测量”或“观测”究竟意味着什么的争论。它向实验物理学家们提出了挑战：我们能把物体做到多大，才能在它们的行为方式中发现奇特的量子特性——既非此也非彼？我们能否将哪怕不是一只猫、至少是某些相当大的无生命物质团块（有人戏称之为“薛定谔的小猫咪”）置于那种奇特的量子“叠加态”之中？

这绝非单纯的学术问题。

去年的诺贝尔物理学奖授予了那些在1980年代证明超导导线回路中可以制造叠加态的研究者——这类元件如今已被用作谷歌、IBM等公司量子计算机中的量子比特。这些量子计算机通过将信息表示为二进制0和1的叠加态来进行处理，从而实现惊人的计算速度。

归根结底，对“薛定谔的小猫咪”的实验，是在探究量子理论本身的边界。这个世界是否从头到尾都是量子的，只是随着尺度和质量的增大，那些奇异的量子效应愈发难以察觉？或者是否像某些研究者所认为的那样，存在一个临界点，量子力学在那里失效，只有旧式的经典物理学才能描述世界？

如今，一些研究者正致力于制造由微小晶体构成的“薛定谔的小猫咪”——这些晶体的大小几乎接近尘埃颗粒，或许有助于解答宇宙中的基础性问题。如果这些微小颗粒拥有足够的质量，能够通过引力相互感知彼此，那么将它们置于精妙的量子叠加态，或许就能提供一种方法，用来检验引力是否能够——正如大多数研究者所相信却缺乏确凿证据的那样——获得量子力学的描述。而它们那岌岌可危的量子态，也可能提供一种灵敏的方法，用来探测那些被提出用以解释神秘暗物质的难以捉摸的粒子——暗物质似乎弥漫于整个宇宙。

猫咪进攻哥本哈根

薛定谔为何如此愤慨？自从1925年德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）给出量子力学的第一个数学表述（随后薛定谔于1926年初提出了另一种形式——波动力学），海森堡及其他人，尤其是他在哥本哈根的导师尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），便一直声称这一理论迫使我们重新审视“实在”这一概念本身。根据量子力学的“哥本哈根诠释”，该理论所能告诉我们的，仅仅是我们在观测一个量子系统时，观测到某些实验结果的概率。

一般而言，该理论预测测量可能产生多种结果，每种结果都有明确定义的概率。在被观测之前，一个量子客体——比如原子或亚原子粒子——不能被认为处于其中任何一种状态；它们以某种方式混合在一起，处于叠加态之中。只有当我们观测一个最初处于空间叠加态的客体时，选择才会发生，它才获得一个确定的位置。

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玻尔和他的同事们坚持认为，我们必须接受这就是量子世界运作的方式。测量以某种方式从此前仅仅是一系列可能世界中，创造出确定的结果——即现实的要素。在薛定谔的时代，人们通常把叠加态说成是“同时处于多种状态或多个地方”，尽管这并不是最准确的表达方式：叠加态其实只是意味着，几种被观测到的结果都是有可能发生的。

“测量本身居然能产生现实”这种看似魔幻的外在效应，以及“物体在被观测前可能同时具有多种状态”的观点，让薛定谔和爱因斯坦都感到难以接受。这似乎否定了任何预先存在的、客观的现实，与科学家们一直以来所奉行的基本假设背道而驰。

薛定谔正是通过想象这样一个实验来阐明这一概念有多么疯狂，甚至多么不合逻辑：某个概率性的量子事件——例如原子的放射性衰变（这可能在任何时刻发生）——触发了一连串事件，最终导致盒子里的猫死掉了。如果在我们打开盒子查看之前，该原子处于“已衰变”和“未衰变”的叠加态，那么这只猫就必须处于“活”与“死”的叠加态。

德国杜伊斯堡-埃森大学的物理学家克劳斯·霍恩伯格（Klaus Hornberger）致力于纳米尺度物体的量子物理学研究，他表示：“这个思想实验至今仍在告诫我们，一旦将观测者纳入描述之中，量子力学就会显得极其荒谬。”

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在薛定谔的时代，想象一个亚原子粒子同时处于“两个地方（或状态）”似乎并没有那么具有挑战性，因为在那个年代，反正也没人指望能对它们进行单独观测。但是，通过将这一概念放大到宏观尺度，并将其应用到一种非此即彼的属性上（任何东西怎么可能同时既活又死呢？），薛定谔实际上是在加大筹码，以揭露哥本哈根学派否定“预先存在的客观现实”这一观点的荒谬性。

然而，现在的许多物理学家对这个思想实验的看法略有不同。

我们如今不仅知道量子叠加态是真实的，而且自20世纪70年代以来的实验表明，在进行测量之前，观测结果似乎确实是未知的。

尽管如此，在我们日常的尺度上，无论我们看与不看，物体似乎确实要么是这、要么是那，正如经典物理学所假设的那样。那么，量子究竟在何时转变为经典？是随着物体变大，量子叠加态只是变得越来越难被察觉，还是存在某种更根本的原理，禁止出现像薛定谔的猫一样大的量子叠加态？

会波动的物质

叠加态通常是脆弱的。根据量子力学，观测会摧毁它们——但这其实并不是“我们看与不看”的问题。只要有关物体状态的任何信息泄露到其周围环境中，并存在被探测到的可能，就足以摧毁叠加态：这完全取决于“观测是否可能发生”。如果一个光子从该物体上反弹开，或者物体自身发射出了一个光子，我们就有可能通过观测这个光子来推断出物体的位置——而这就会摧毁叠加态。

这种由于与环境相互作用而导致的量子状态信息“泄露”，以及随之而来的“量子性”毁灭，被称为退相干（decoherence）。物体体积越大，就越难抑制这种相互作用。大多数研究人员认为，这就是为什么在宏观尺度上极难观察到量子效应的原因：并不是因为量子效应在大物体上本质上不稳定，而是因为大物体很难被孤立并屏蔽掉退相干的影响。

黑暗中的闪光：中央明亮的圆点是一个二氧化硅纳米颗粒，它在真空中通过电场被悬浮起来。它的热抖动已被极大地抑制，以至于其有效温度仅比绝对零度高出百万分之几开尔文，正处于可能的最低量子能量状态：基态。© Aspelmeyer Group / University of Vienna

观察原子处于叠加态相对简单。一种方法是在著名的量子双缝实验中使用它们：将一束粒子射向屏幕上两个靠得很近的狭缝。薛定谔方程将所有量子对象描述为类波实体——而波的一个关键特性就是它们可以相互干涉，其波峰和波谷会相互放大或抵消，从而创造出干涉图样。

在双缝实验中，从每个狭缝中发出的波之间产生的这种干涉，会在远端探测到的粒子上形成一个特征图样：表现为一系列探测到大量粒子的“亮”条纹，以及几乎没有探测到粒子的“暗”条纹。原子波的干涉在20世纪90年代初首次被证实。它只有在粒子处于叠加态时才会出现；也就是说，粒子可以被认为“同时穿过了两个狭缝”并与自身发生干涉。如果去测量每个粒子穿过了哪个狭缝，叠加态就会被摧毁——干涉图样也会随之消失。

我们能把这类实验的尺度放大吗？整个分子也会表现出这种行为吗？1999年，现处于构建宏观量子叠加态实验工作最前沿的维也纳大学学者马库斯·阿恩特（Markus Arndt）——当时他还在未来的诺贝尔奖得主安东·蔡林格（Anton Zeilinger）的团队中工作——证明了由富勒烯分子（每个分子包含60个碳原子，连接成中空的球状笼结构）制成的物质波确实会显示出干涉现象。

从那时起，阿恩特一直在更庞大的分子中展示干涉现象。2019年，他的团队报告了包含多达2000个原子、质量达25,000道尔顿（1道尔顿大约是一个质子或中子的质量）的有机分子的量子叠加态。在这些实验中，粒子通常不是射向双缝，而是射向由光本身制成的平行狭缝网格：激光束被制备成“驻波”，在反射镜之间来回弹跳，从而创造出光和暗的干涉图样。

不过，制造一个“大”的空间位置叠加态，并不仅仅取决于使用庞大的物体。它还取决于这两个可观测的位置状态（即物体的质心）之间相隔多远。为了衡量这一尺度，霍恩伯格引入了“宏观度”（macroscopicity）的概念。

他说：“宏观度数值量化了一个量子效应对经典物理学家来说有多么令人困惑。”打个比方，如果你为一个高尔夫球制造了一个叠加态，其中两个位置的差异小于一个原子的宽度，那么它的宏观度可能还不如一个“这里”在纽约、“那里”在旧金山的富勒烯分子的叠加态。

去年，阿恩特的团队与霍恩伯格合作，报告了量子物体宏观度的新纪录。他们展示了可以为直径约8纳米、包含约7000个原子的微小钠晶体创建叠加态。这两个叠加位置的质心相距达133纳米——这超过了粒子自身尺寸的10倍。

霍恩伯格认为，要为质量比钠纳米晶体大10倍左右的粒子产生物质波干涉，“将会变得非常艰难”。他怀疑，要放大到这个水平，可能需要一种不同的方法：让纳米颗粒悬浮并对其进行冷却，使其处于最低的量子能量状态（基态）。

维也纳大学的马库斯·阿斯佩尔迈耶（Markus Aspelmeyer）正率先开展这方面的研究。2020年，他和同事们报告称，他们已经将直径约150纳米、包含约1亿个原子的二氧化硅颗粒冷却了下来，使其至少有70%的时间处于基态，而不是因热振动而被推入更高能态。为了实现这一点，他们利用光阱将这些颗粒悬浮在强激光场中。

次年，阿斯佩尔迈耶团队以及瑞士苏黎世的另一个研究小组表明，如果放弃光阱，转而单纯利用光施加微小的推力来保持颗粒的位置，他们可以让这些颗粒变得更冷，并更稳固地锁定在基态中。然而，想要引导如此巨大的物质块进入叠加态则是另一回事，目前还没有人能够做到。

不过，阿恩特对此持乐观态度。他表示：“我们看到了在未来几年内，让质量在数千万道尔顿范围内的颗粒实现［叠加态］的切实可行路径。与我们目前用钠金属颗粒创造的世界纪录相比，这‘在质量上已经是百倍的提升，而在宏观度上更是提高了多达六个数量级’。”

寻找量子引力

测试越来越大的“薛定谔小猫”的一个原因在于，它们可能会向我们展示，量子力学本身在我们达到宏观尺度之前就已经失效了。长期以来，一些研究人员一直怀疑可能会发生这种情况。

在匈牙利物理学家拉约什·迪奥西（Lajos Diósi）和英国数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）各自独立提出的一种理论中，处于叠加态的量子对象会自发地“坍缩”到一个明确的位置，且坍缩的概率随着物体变大而增加。这意味着在某种尺度下，无论我们做什么，坍缩都将变得不可避免。彭罗斯认为，这种坍缩是必要的，以防止量子力学与广义相对论（爱因斯坦于1916年构想的引力理论）发生冲突。

焦点之中的物质波：一个由计算机生成的、处于离域状态（delocalized state）的钠原子团簇示意图。在这种状态下，描述这些原子位置的波函数在空间中会发生某种程度的弥散。只有当该团簇进入“聚光灯”下、使其位置被测量时，这些原子才会获得确定的位置。© 维也纳大学Arndt研究组

在爱因斯坦的理论中，大质量物体会使时空本身发生形变，从而迫使其他物体沿着特定轨迹运动，而这些轨迹发生偏折的方式，恰恰与我们传统上所称的“万有引力”相吻合。彭罗斯所担忧的是，当物体的质量大到足以产生显著的引力时，其所处两个位置的叠加态将会产生两种截然不同的时空几何结构——这种情况理应牵涉到极其巨大的能量。为了避免这种令人无所适从的局面发生，自发坍缩会在这种尴尬境地出现之前，提前关闭叠加态等量子效应。

但也许量子力学与广义相对论之间并不存在冲突，因为引力本身就像电磁力一样，也是一种量子化的力。尽管我们目前还缺乏一个既能兼容量子力学又能兼容广义相对论的量子引力理论，但大多数物理学家认为，引力在本质上确实是量子的。1957年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）首次提出了这一观点。费曼甚至设想了一个思想实验来验证这个想法——但他当时从未想过，未来竟然真的有可能开展实际的实验。

然而，实验是寻找答案的唯一途径。“我完全没有理由相信，我们对于引力推定的量子本质已经有了一个完整的认识，”阿恩特说，“就我个人而言，如果量子理论的原理在更大的尺度上崩塌，我反而会感到震惊。”

阿斯佩尔迈耶表示，证明这一点的目标是去制造“具有足够质量以产生可测引力场，且具有足够离域性［即处于具有足够大宏观性的叠加态中］的系统，使得这些引力现象无法再用经典的广义相对论来描述”。他和同事们提出了一种非正式的度量标准，用于衡量此类物体在探索量子引力方面的效用，这在某种程度上类似于霍恩伯格的“宏观度”，他们向薛定谔致敬，将其称为“量子猫性”（quantum cattiness）。

利用具有“量子猫性”的物体来探测量子引力的一种方法在20年前就被提出了：即观察是否能利用引力相互作用来产生一种被称为“量子纠缠”的奇异量子效应。

这或许是所有量子现象中最令人困惑、最反直觉的一种。正如爱因斯坦在1935年指出的那样，如果两个量子物体发生相互作用——即它们以某种方式“感受到”彼此的存在——那么根据量子力学，在此之后它们的操作本质上将像一个单一的量子实体：这两个原本独立的物体已经变得纠缠在了一起。

这会带来匪夷所思的后果。例如，我们可以通过观察其中一个物体来发现另一个物体的属性。爱因斯坦认为，如果哥本哈根诠释是正确的，且量子属性在被观察之前都是不固定的，那么这似乎意味着，在某一处对纠缠对中的一个进行观察，会瞬间影响到另一个，无论它们相距多远。这种瞬时的“幽灵般的超距作用”是被爱因斯坦的狭义相对论所禁止的，爱因斯坦认为这一明显的悖论表明，量子力学并不能构成物理现实的完整解释。

但事实上，量子纠缠并不需要超距作用，因为纠缠在一起的两者根本不是独立的实体。它们的属性已经变得“非定域”（nonlocal）了：不再固定于粒子本身。尽管这看起来很古怪，但如今它已经被无数次实验所证实。

同样是在1935年，正是薛定谔将这种现象命名为“纠缠”（entanglement）。它之所以能被用来寻找量子引力，是因为两个物体通过相互作用而发生纠缠的几乎唯一途径，就是这种相互作用力本身必须是量子化的。因此，如果两个质量块能够仅仅通过它们的引力产生纠缠，那将成为引力具有量子属性的铁证。

然而，观察这种引力诱导纠缠的挑战在于，粒子必须足够大，以便它们之间的万有引力足够强到能产生影响，但又不能太大，以至于无法将它们维持在量子状态中。

伦敦大学学院的物理学家苏加托·博斯（Sougato Bose）及其同事在2017年提出了一项实验：将两个纳米晶体置于叠加态中，同时保持足够的距离（约100微米），使它们感受不到彼此的电磁场，而仅通过引力发生相互作用。位置的叠加意味着不同粒子位置的引力相互作用也会有所不同，从而产生可测量的干涉效应。

博斯说，要将如此大质量的物体维持在叠加态中，必须确保它们与周围环境中的任何相互作用都做到极好的隔离。一个气体分子或一个光子的撞击，都可能足以让这种叠加态坍缩。因此，它们必须在极高真空的环境中被悬浮起来，并屏蔽任何杂散电磁场。

阿斯佩尔迈耶指出，提高薛定谔小猫的“引力猫性”的核心挑战在于，“将我们现有的量子控制技术扩展到更大的质量上”，并减少由于气体分子撞击或杂散电磁辐射引起的退相干。阿恩特说，尽管技术要求极为严苛，但通过这种方式检验量子化引力的想法是非常值得追求的。

那么，万物从微观到宏观真的都符合量子规律吗？“我找不到任何令人信服的理由，说明量子理论的定律会在某个宏观尺度上失效，”霍恩伯格说，“但我们确实不知道，而且有充分的理由怀疑，一旦广义相对论开始介入，将会发生根本性的改变。”但他补充道：“我相信，如果量子理论有朝一日被更基本的理论所取代，我猜那个理论会更加疯狂。”

没有极限？

就在近一个世纪前，薛定谔想要寻找一个极端的场景，以揭露在他看来哥本哈根力学诠释所存在的缺陷。而他最终所做到的远不止于此。他推动了几代物理学家去更深地探究自然本身那摇摆不定的本质。

阿恩特表示，如今科学家们去制造体型越来越大的“薛定谔的小猫”，这一现代追求在寻找暗物质的探索中可能会大显身手——暗物质是科学家为了解释维持旋转星系不致分崩离析所必需的“额外”引力而提出的。许多研究人员认为，这种推定的隐形物质是由未知的、极难捕捉的粒子组成的，但目前还从未有人见过这种粒子。

然而，如果暗物质粒子与普通物质之间存在哪怕极其罕见的相互作用，它们的存在是否会因为触发了脆弱叠加态的坍缩而暴露出来？大型物体微妙的叠加态，或许还能揭示出除了已知的四种自然基本力之外的全新力量，例如一些物理学家长期以来怀疑存在的“第五种力”。如果这种第五种力将一个叠加态与其环境耦合起来，就可能会诱导其坍缩。

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那么那只猫本身呢？对于一个有呼吸、有生命、有思想的生物体如果被置于叠加态会是一种什么样的感觉（如果有感觉的话），当今的物理学家依然被这个问题所吸引。抛开伦理问题不谈，科学家们未来真的能做薛定谔当年的原始实验吗？鉴于生命本身还没有一个明确的量子定义，一个“又活又死”的叠加态到底意味着什么其实并不明朗。但我们至少能否将细菌这种微小的活体生物置于位置的叠加态中呢？

阿恩特认为这或许是可能的，至少对病毒来说是这样。“如果我们能获得资金支持，我们一定会尽最大努力去实现它，”他说，“挑战非常多，但并非不可能。”

那么，再接下来是一个活体细胞吗？他微笑着说：“再给我点时间思考一下吧。”

文/Philip Ball

译/tamiya2

校对/tim

原文/nautil.us/schrodingers-kittens-are-all-grown-up-1281010

本文基于创作共享协议（BY-NC），由tamiya2在利维坦发布

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