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捕获量子猫--科普2012诺贝尔物理奖

热度 4已有 4865 次阅读2012-10-10 15:49 |系统分类:科技| 2012, 科普, 诺贝尔

2012年的诺贝尔物理学家授予了两名实验物理学家，他们分别是美国的 David J. Wineland与法国的Serge Haroche 。其成就是“开创了测量与操纵单个量子系统的实验方法”。WINELAND的实验是直接测量、控制单个原子（离子）的微观量子系统。而HAROCHE的实验对象是单个的光子。这些实验方法直接从微观系统验证了量子物理理论，同时也有着广阔的应用前景。

人类对自然界的认识从牛顿开始，到麦克斯韦尔的电磁理论，以及随后爱因斯坦的广义相对论，都是一种经典确定性的理论。比如说，一个皮球的运动在牛顿力学里被初始条件及外力完全确定，我们可以通过计算精确地得出它的轨迹，以及在每一点的速度；同样，给出各种初始条件，我们可以用麦克斯韦尔理论计算电流、电磁场，等等；用相对论理论计算引力也是如此。只要有足够的计算能力，一切都是那么确定、必然、可以预测。人们不禁赞美，自然界太美妙了，让我们窥视了其核心的真理。

当技术可以探索更深层的物质原理，人们很快发现牛顿式的经典理论无法解释微观世界的现象。1909年卢瑟福发现原子的结构：中间是一个极小的原子核，外面是电子。如果按照牛顿力学与经典的电磁理论，这些原子核外的电子应该会发射电磁波而失去能量。但实际上，原子是稳定的。进一步的实验表明，原子层次的现象无法用经典的牛顿理论解释。

物理学家的特长就是在蛛丝马迹中挖掘出本质性的规律与原理。很快，物理学家们提出了一套称为量子理论的方案，它可以计算出氢原子发出的光的频率，并且与实验非常吻合。这个理论说：粒子不只是像一个小球，同时它也有波的性质，它的波长是 h/mv （其中h是一个常数--称为普朗克常数，m是粒子质量，v是粒子的速度），这叫着物质波。紧接着一大群杰出的理论物理学家如雨后春笋一般涌现出来，他们写下了量子理论的数学方程。其中最有传奇色彩的可能是奥地利物理学家薛定谔，他在与情人幽会时灵感大发，写下了描述量子波的微分方程，并以此精确计算了氢原子的能级。薛定谔方程的适用范围是几乎所有非相对论性的量子系统，包括原子、分子、金属、半导体、超导等等。今天，薛定谔方程不但用于物理与电子工程，其更广泛的运用可能是化学（包括生物化学）领域，用来计算分子结构。我在《科普量子力学》一文中推导了这个薛定谔方程。

量子理论非常成功，其计算的结果与实验完全吻合，其应用导致人类文明的巨大飞跃。没有量子理论，就不会有晶体管、集成电路、也不会有激光，也就不会有计算机与计算机通讯。可以说，量子理论使人类从电力时代进入了微电子时代。但是量子理论似乎超出了我们的直觉能够理解的范围。在这个理论里，粒子不是像经典的皮球那样沿着可以预测的、唯一的轨迹运动，而是同时循着任意的、无穷多的路径达到终点，物理结果的计算必须考虑所有这些路径的总汇。不仅如此，一个量子系统不一定处于一个单个状态（state)，而可以同时处于多种状态，只有进行测量的时候，系统才进入与测量对应的本征态。

薛定谔为了说明这一点提出了一个思想实验：把一只猫放在一个盒子里，盒子里有一瓶毒药，另外有一些放射性原子，这些原子平均一小时射出一个射线粒子，如果产生射线，就会启动一个机械装置，打破毒药瓶，不幸的猫儿就一命呜呼了，这个状态可以用这个图标

代表；如果没有射线，猫虽然不爽但却安然无恙，这个状态用

代表。这里，一个原子是否发生放射性衰变是量子效应。薛定谔说，这个系统的状态方程那应该就是 |射> |

> + b |不射> |

>，其中 b代表两个状态叠加的”角度”与程度。也就是说，这盒子里的猫同时处于

与

的状态。我们只有打开盒子查看（也就是进行测量）的时候，系统才进入一个确定的状态。

爱因斯坦虽然曾对量子力学发展起到过重要贡献，包括提出光子的概念，但他却认为量子力学存在严重的缺陷，因而对薛定谔的这个思想实验大加赞赏---这个猫同时活着与死去的理论很荒谬，这说明量子理论本身不完备，无法完整地描述盒子里的现实。关于薛定谔之猫的哲学争论一直持续至今。但有一系列非常直接的实验，包括物质波的干涉现象，证明微观粒子确实遵循量子力学，它们既有粒子的特性也有波的特征。这么多年的研究表明，量子理论虽然超出了我们的机械式的直觉，却确实是自然界的真实写照。

这次获得诺贝尔奖的WINELAND与HAROCHE的研究正是直接操控、测试微观的量子系统，进行各种实验，包括创造并测量微观的“薛定谔量子猫”。在这篇科普中，我们重点介绍WINELAND的实验。他的方法是用电场把单个离子限制在一个势阱内。这个离子除了其内部的电子能级外，整体则在势阱里来回振动。然后，WINELAND用不同的激光改变这个离子的量子状态。其实验示意图如下：

对于这样的单个离子来说，其物理只能用量子理论描述。束缚在势阱的离子一方面可以像碗底的一个小球一样整体做来回的“摆动”（或振动），另一方面离子内部的电子也有不同的能级。这个“摆动”的能量是量子化的，也就是像台阶一样，只能是一级一级，能量不能取两级中间的值，只能在不同的级之间跳跃（跃迁）；类似的，离子内部的能量都是量子化的，也是一级一级。WINELAND实验的秘诀在于用激光操控离子的内部以及振动的量子状态，并做出相关的量子测量。比如说，离子的振动能级可能不是在能量最低的基态，怎么使它的振动能级降到最低呢？如果用激光照射，而光子的能量正好可以使离子内部能级跃升一个台阶、却同时让振动能级降低一级，就会达到降低振动能级的效果；然后离子通过释放一个光子，内部能级回到最低。通过这个方法，可以迅速使离子处于振动能级最低的基态，也就是给离子降温，由一只到处乱跑的猫变成一只可控的猫。参见 http://tf.boulder.nist.gov/general/pdf/877.pdf 。类似的，通过不同的激光对这个系统照射，可以使一个离子处于两个状态的叠加，也就是使一个离子同时处于两个状态，也就是我们前面所说的量子猫态。具体的实验参见 http://www.quantumsciencephilippines.com/seminar/seminar-topics/SchrodingerCatAtom.pdf 。WINELAND的实验手段甚至能连续变化两个量子态叠加的角度，然后进行相应的测量。其实验结果直接从微观角度验证了量子力学。HAROCHE的实验则是通过两面镜子来回反射把光子关进“黑屋子”，然后对光子进行各种测量，得出与量子力学吻合的结果。

WINELAND与HAROCHE的实验证明的是几乎一个世纪以前的物理理论，这固然是一件令人宽慰的事情，但他们的方法更大的意义在于使我们对微观世界的控制能力达到了前所未有的高度。物理学家费曼在数十年前曾经提出，也许可以直接操控原子，制造极为微小的分子机器。这似乎是天方夜谈。然而1980年代，运用量子隧道效应，人们已经可以看到单个原子；如今科技的发展已经到了可以操控单个原子的量子能级与状态，并且开始运用于量子计算。诺贝尔奖提示我们，在人们一代代的不懈的努力下，科学与技术的继承与发展正使人类文明的层次不断跃迁。如果薛定谔、爱因斯坦能活到今天，他们也会为量子猫的俘获而啧啧赞叹。