如何偷窥薛定谔的猫而不打扰它?

科技动态 2019-12-04 10:30191未知admin

薛定谔的猫是由奥地利物理学家埃尔温薛定谔于1935年提出的一个著名的思想实验,描述了亚原子粒子的神秘行为。现在,通过一种新方法,我们或许可以在不杀死这只(假想中的)猫的情况下,对它进行观察。

在这个思想实验中,盒子里的猫同时处于生存与死亡的状态,或者说处于生与死的叠加态,就像亚原子粒子同时以多种状态叠加存在一样。但是,当我们打开盒子观察其内部时,就会改变猫的状态,观察到一只活猫或一只死猫。

然而,在10月1日发表于《新物理学期刊》(New Journal of Physics)上的一项研究中,研究人员描述了一种既能观察到猫,又不会迫使其它活着或死亡的可能方法。通过这种方法,科学家或许能加深对物理学中一个最基本悖论的理解。

在我们这个常规的大尺度世界中,观察一个物体似乎并不会导致其改变。但如果尺度足够小,情况就不是这样了。该研究的第一作者、日本广岛大学物理学助理教授霍尔格霍夫曼(Holger F。 Hofmann)说:我们通常认为,为了观察所付出的代价是微不足道的。这是不准确的。为了观察,你必须用到光,而光会改变物体。因为即使是单个光子,也会将能量从你所看到的物体中转移出去,或者转移到物体上。

霍夫曼和当时在广岛大学做访问本科生、现在在印度理工学院孟买分校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进行观察。他们得出了一个数学框架,将最初的互动(观察猫)和结果读取(知道猫是死是活)分隔开来。

我们的主要动机是非常仔细地观察量子测量发生的方式,霍夫曼说,关键在于,我们把测量分为两个步骤。通过这么做,霍夫曼和派特卡尔得以假设所有参与初始相互作用(观察猫)的光子都能被捕获,而不会丢失关于猫的状态的任何信息。所以在读取结果之前,所有关于猫的状态(以及观察是如何改变其状态)的信息都是可获得的。只有当我们读取信息时,才会失去了一部分信息。

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。以下就是他们如何用薛定谔的猫来描述他们的工作。假设猫还在盒子里,我们不是通过观察内部来确定猫是死是活,而是在盒子外面设置一个相机,通过某种方式拍摄一张盒子内部的照片(这只是一个思想实验,请忽略这个相机在物理学上行不通的事实)。

一旦拍摄了这样一张照片,相机就具有两个信息:猫的状态如何因为拍摄照片而改变(研究人员称之为量子标记),以及猫在拍摄之后是死是活。此时这些信息都还没有丢失,你可以获得其中一个信息或另一个信息,这取决于你选择如何冲洗这张照片。