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薛定谔的猫之后,量子力学鸽笼问题又来了

2016-02-03 | 人围观 | 评论:暂无评论

把三只鸽子放到两个鸽笼里,并使任意两只鸽子都不在同一个笼子里,这在日常生活中是不可能的事情,在量子世界中却能实现。

  

 

几十年来,量子力学的奇异性都是通过“薛定谔的猫”这一思想实验来展现的:把猫关在盒子里,盒子里放有一个放射性原子,发生衰变的概率为50%,一 旦原子衰变,放出的射线就会触发瓶子里的毒药把猫毒死,因此猫活下来和死去的概率各为一半,或者说,在盒子打开之前,猫处于既是活的又是死的状态。

不过薛定谔的猫怕是要过时了——科学家提出了新的量子“鸽笼”难题:可以把三只鸽子放到两个鸽笼里,并使同一个鸽笼里不能有两只或以上的鸽子吗?
 
按照常理,把三只鸽子放到两个鸽笼里,无论如何都会有两只(或是三只)鸽子在同一个鸽笼里,这被称为“鸽笼原理”,违背它好像是不可能的。但在 量子世界,没有什么事情是绝对不可能发生的。美国查普曼大学教授亚基尔·阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov,1932年生于以色列,曾与戴维·博姆共同提出量子力学的Aharonov-Bohm效应而获得1998年的沃尔夫奖)与合作者近期在 《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表论文,称他们已经找到了方法,可以把三个(甚至无限多个!)粒子放在两个盒子里,同时保证没有两个粒子在同一个 盒子里。
 
而秘诀,当然是利用量子力学奇妙的非局域性“魔法”。在量子世界,一个物体可以同时位于两个地方。研究者让每一个粒子都处于同时在两个盒子内的叠加态上,再对三个粒子的态进行一个变换,就能找到一种情况,使任何两个粒子的态都不在同一个盒子里。
 
不过,有一个最关键的问题:量子力学的非局域性只在没有观察/测量的时候才成立,就好像薛定谔的猫只有在打开盒子之前才能处于既活又死的状态, 一旦打开盒子观察,猫就会“坍缩”成两种状态中的一种,要么活着,要么死去。同理,一旦观察了粒子,每个粒子就会确定无疑地落到两个盒子中的一个中,不可 避免会出现两个或三个粒子处于同一个盒子中的情况。而如果不能直接观察,我们该如何确认粒子违反了鸽笼原理呢?
 
论文合作者之一,查普曼大学的杰夫·托拉克森(Jeff Tollasken)说:“如果你手中只有锤子一种工具,你就只能用锤子钉钉子的方法来对待一切事物,但这种‘板上钉钉’式的直接测量并不适合所有情况,尤其是在量子力学领域。”
 
这个难题困扰了阿哈罗诺夫多年。在近20年中,他和同事们一直在研究一种新的“弱测量”(weak measurement)方法。如果说普通的测量就像用锤子轰击被观察的盒子,确定无疑但也摧毁了量子系统,弱测量方法就像用手指轻轻敲击盒子,在观察的 同时仍能保持每只“鸽子”仍处于叠加态上。
 
在论文中,阿哈罗诺夫与合作者提出了两种实验方案可以违反鸽笼原理,一种使用电子作为“鸽子”,一种使用原子。使用电子的实验装置示意图如下, 将三个电子平行射入分束镜BS1,分束器将三个电子将被分为透射和反射两束,这就对应了三只鸽子和两个鸽笼。如果两个电子处在同一束,它们之间就会发生相 互作用,使运行的路径发生改变,而如果两个电子分别处于两束路径中,由于距离较远,它们之间就没有相互作用。在实验中,科学家需要多次入射三个电子组成的 电子束,最终观察打在探测器D1的屏上的所有电子累积形成的图案,通过图案就能区分任两个电子是处于同一个“笼子”里,还是来自不同的“笼子”。
 
 
 
阿哈罗诺夫所设想的这一实验,在将来很可能得以实现——至少他所提到的弱测量方法已经由托拉克森和另一位合作者,维也纳理工大学的长谷川祐司在物质波干涉仪实验中实现,并于去年12月发表在了《物理评论A》上(Phys. Rev. A 92, 062121)。
 
阿哈罗诺夫称,这一研究不仅提出了量子力学中此前一直被人忽视的有趣现象,也促使我们深入探索量子力学与大自然中的本质特性,如非定域性、相干 和可分离性等等。托拉克森表示:“现在要想谈论这个研究有什么深远意义或许还太早了一些,但对于量子力学基本概念的探索无疑是重要的。”(撰文 丁家琦)
 
论文地址:
http://www.pnas.org/content/113/3/532.full (全文开放获取)
 
参考资料:
https://blogs.chapman.edu/press-room/2016/01/19/the-quantum-pigeonhole-principle-can-three-pigeons-be-in-two-pigeonholes-with-no-two-pigeons-in-the-same-hole/
http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/jan/08/quantum-pigeonholes-are-not-paradoxical-after-all-say-physicists

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