从薛定谔的猫里学到量子力学 - Josh Samani

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我们日常生活中的经典物理，即宏观的世界与量子物理是有很大不同的。所谓量子物理，就是掌控着像原子一样小规模的系统。薛定谔的猫这一思维实验，是一个关于量子物理奇妙之处的非常好的例子。Josh Samani 将带领我们领略这个量子纠缠的实验。

Lesson by Josh Samani, animation by Dan Pinto.

竖直地向上扔一个球

你能预测当球离开你的手以后的运动吗？

当然，这很简单。

在到达某个最高点之前，这个球将一直上升。

之后它将下落，又一次回到你的手上。

当然，事情就是这样的。

你之所以知道，是因为你已经无数次目击过这样的事情发生。

你一直在整个生命的日常现象里观察到物理

但是，假设我们去探索一个关于原子物理的问题

就像是，一个电子绕氢原子核的运动是什么样

就像是，一个电子绕氢原子核的运动是什么样

我们能依据日常的物理经验去回答吗？

肯定不行。为什么？

因为，微观系统运行的物理定律

与宏观物理的定律有很大不同

那些你见到或是围绕在你身边的物理

每天，你所见到和所深爱的

被经典力学定律所掌控着。

但是，原子规模的系统

被量子力学定律所掌控。

这种量子世界被证明是个十分奇怪的地方。

一个有名的思想实验给出了一个说明量子世界奇怪的例子，

薛定谔的猫

一个实际上并不特别喜欢猫的物理学家，将一只猫放进盒子中，

并一同放了一颗炸弹，在盖子盖上后，有50%的机率爆炸。

除非我们我们重新打开盖子，我们没有办法得知

炸弹有没有爆炸

因此，也无法知道猫是活着还是死了。

在量子物理中，我们可以说在观测之前，

那只猫处于叠加态。

既不是活着也不是死亡，而是两种可能性的混合。

每种可能都有50%的可能性。

在量子规模中，同样的事情发生在物理系统上，

就像一个电子绕氢原子核运行

电子不是真正的绕轨道运行。

就像是空间中的任何地方，都在一瞬间

存在某处比其他地方有更大的可能性，

并且只有在我们测量过它的位置之后，

我们才可以精确的知道那个时刻它在哪。

很多现象，像是我们不知道这只猫是死是活

直到打开盒子

这些把我们带入奇怪而又美丽的量子缠绕现象

。

假设，现在我们有两只猫，在两个不同的盒子里

如果我们对这一对猫重复“薛定谔的猫”的实验

这个实验的结果有四种可能

两只猫都活着或是都死了

亦或是，一只猫活着一只死了，或者反一下

这个两只猫的系统又存在于叠加态，

每种结果都有25%的可能性，而不是50％。

但是，这里有很有棒的事

量子力学告诉我们有可能去清除

叠加态中的结果，即两只猫都活着或死去。

换言之，可以是两只猫的系统，

这个的结果将总是一只猫活着，另一只猫死去。

这个科学术语就是猫的纠缠态。

但是，关于量子纠缠有些真正吸引人的事情。

如果你在这种纠缠态中，准备两只在盒子中猫的系统

然后把盒子移到宇宙的另一端

实验的结果将总是相同。

一只猫总是活着，而另一只总是以死亡结束。

尽管在观测结果前，

具体哪只猫死亡或活着是完全不确定的，

这怎么可能？

宇宙两端的猫的状态

怎能这样被纠缠？

它们相隔太远以至于不能即使沟通。

那么，两个炸弹怎么能总是策划好

一个爆炸而另一个无恙？

你一定在想，

这只是一些理论上的胡言乱语

这种事情不可能在真正的世界上发生。

但是，这证明了，量子纠缠

（量子纠缠）已经在真实世界的实验室被证实了。

两个亚原子的颗粒在叠加态纠缠，

在这种状态下，如果一个颗粒以一个方向旋转，另一个颗粒，必定以反方向旋转

事实就是这样，甚至，当没有办法

将信息从一个颗粒传给另一个

去暗示，怎么服从缠绕的法则旋转。

不足为奇的是，

纠缠是量子信息科学的核心，

这是一个正在发展的领域，研究在我们的宏观世界

怎样应用奇怪的量子世界的定律

就像量子密码，间谍可以互相发送安全信息，

或者量子计算，去破解密码。

日常的物理可能开始看上去有点像奇怪的量子世界。

量子远距离传送，甚至可能发展的十分迅速

某天，你的猫可能逃脱去了另一个星系，

那里既没有物理学家，也没有盒子。