最近,随着《自然·物理学》(Nature Physics)杂志上的一篇论文,薛定谔的猫又成为很多物理学家辩论的焦点。这一次,另一位大师也被拉进了争论:爱因斯坦是否杀死了薛定谔的猫?
2015年6月15日,维也纳大学的物理学家伊戈尔·皮可夫斯基(Igor Pikovski)与几位同事在《自然·物理学》杂志上发表论文《由引力时间膨胀引发的全局性退相干》(Universal decoherence due to gravitational time dilation),在量子领域内引入了一个通常会被忽视的因素:引力效应。根据论文作者的分析,起码在地球表面上,因为爱因斯坦的广义相对论效应,薛定谔的猫很有可能不会同时又生又死。
为什么一个宏观物体(比如一只猫)不能像一个电子一样,展现出量子效应,同时处在不同的位置?对于这个问题,目前物理学家们比较公认的解释是,一个宏观物体无时无刻不在与外部世界进行着交流,与周围的粒子形成纠缠态,相当于外界环境始终对这个宏观量子系统进行“测量”,由此使它一直展现出宏观状态。想要使一个由多个粒子构成的物体呈现出量子态,就要尽可能地孤立这个它,使它无法与外部世界进行交流。2010年,加州大学圣巴巴拉分校的几位物理学家就是在接近绝对零度的温度条件下,尽可能地隔绝外部环境的影响,使一段60微米长的金属在几纳秒内呈现出了量子叠加态,这也是人类首次使“肉眼看得到的物体”呈现出量子态。
但是对于一个更大的物体来说,此前通常被人忽视的广义相对论效应很可能就会起到决定性的作用。作者分析,当一个稍大的物体处于叠加态时,其处于不同的位置会因为引力场的作用而影响其内部能量,从而产生“退相干作用”,从而使这个物体自动退出叠加态而呈现出经典的状态。也就是说,无论物理学家们多么努力地设计实验,减少外界的影响,只是因为地球引力场的存在,他们仍然无法在地球表面上使一个宏观物体呈现出量子叠加态,只有在引力场微弱的区域(比如在月球表面或是宇宙空间站上)才有可能忽略掉广义相对论效应所产生的时空扭曲,薛定谔的猫在这种情况下才有可能同时又生又死。
无论如何,在地球表面进行的量子实验中,引发退相干现象的,大多都来自其他对量子系统构成更大影响的干扰源,例如周围磁场的影响、热辐射的影响以及实验设备的震动等等,引力效应对于一个量子系统来说实在是太过微弱,是否能够在地球表面的量子实验中观测到这种影响?很多物理学家都表示这是一个有趣的想法,但是想要付诸实践难度相当大。