生命可以量子态吗？薛定谔病毒告诉你

kaleege

生命可以量子态吗？薛定谔病毒告诉你尹璋琦 发表于  2012-03-01 19:13

刘慈欣在《球状闪电》中描写过变成量子态的人，他们被观察时会坍缩消失，独处时又会幽灵般出现，不生亦不死。量子态的生命有没有可能存在呢？如果可能，会不会像小说中那样不生不死呢？这要从薛定谔家那只著名的猫说起……

薛定谔猫带来历史难题

既生又死的薛定谔猫。 插图作者：赵斌

薛定谔猫是由伟大的物理学家薛定谔提出的一个理想实验，为了指出量子力学哥本哈根解释的不完备性。设想在一个封闭的盒子里面，放着一只猫。在箱子的一角有一个装有毒气的瓶子，瓶子是封闭的。另外，还有一个放射性原子核与瓶子连接起来，毒气瓶的封口会被放射性原子核衰变发出的粒子给打破，放出毒气，杀死猫。在一定的时间范围内，放射性物质发生衰变放出粒子的概率是一定的。比方说，在1个小时内，放射性原子核将有50%的概率发生衰变，有50%的概率不发生衰变。那么在我们打开箱子观看猫的死活之前，我们是不知道其是生是死的。我们可以说，猫处于既是生、又是死的量子叠加态。一旦我们观察了猫，它就会塌缩到“生”或者“死”之中的某个状态。

量子叠加态的概念在微观的量子世界是很具备说服力的，是解释诸多实验现象必不可少的理论。可是当薛定谔把这个概念借由“薛定谔猫”这个理想实验推广到宏观世界后，就与我们的常识产生了极大的冲突。我们何曾在生活中看到过既死又活的生物呢？如果我们否认薛定谔猫的存在，就是把世界运行的规律给硬生生的割裂开来了：微观世界只适用量子物理规律，而宏观世界适用经典物理规律。在避开了这个麻烦之后，又给我们引入了另外一个深刻的问题：量子与经典的界限在哪里？我们可以在多大的系统中找到薛定谔猫态呢？争议存在了很多年，一直没有定论。

用量子自杀验证多重宇宙，并非易事

尽管薛定谔猫提出后带来了诸多争议，但是这个绝妙的想法还是给了人们很多灵感，于是各种薛定谔猫的变种和后代不断涌现。其中最重要的是艾弗雷特（Evertt）的多世界理论，或者说波函数从不塌缩的假设。这个理论可以概括为薛定谔方程在所有时刻都成立；也就是说，宇宙的波函数从不塌缩。在艾弗雷特的理论中没有提到平行宇宙或者世界分裂，它们蕴涵于理论中，而不是事先假定的。他天才的洞察力在于，这个无塌缩的量子理论实际上与实验观测是一致的。通过艾弗雷特的理论，我们发现描述一个经典实在的波函数会逐渐演化，最终变为描述多个经典实在（即多个世界）相互叠加的波函数。对观察者而言，就是一个确定的物理系统，随着薛定谔方程的演化，变为一个按照一定几率分布的随机性系统，其几率与波函数塌缩办法算出的一致。

把艾弗雷特的理论稍微推广一下，我们就可以得到另外一个反直觉的推论：量子自杀假说，或者说量子永生。什么叫做量子自杀呢？很简单，我们重新思考一下薛定谔猫的实验，这一次我们把实验的视角变换到猫身上。对于猫来说，尽管有一半的概率生，一半的概率死，可是只要猫还意识到自己活着，那么它一直处于生的那一边，它就不会死去。让我们把这个例子变得更加极端一点。假设有这么一个人，一心寻死，第一次选择上吊，可是总有一定的概率绳子断裂而不死。于是宇宙分裂为两个，一个宇宙中，这个人由于上吊而死；另外一个宇宙中，他由于绳子断裂而活下来了。接下来他继续寻死，选择了跳楼，但总是有很微小的几率由于某些原因他跳楼也死不了。由于量子多世界理论，在某个世界中，他总是活着，怎么也死不了，于是从某种意义上而言，他“永生”了。

“量子自杀”将产生一定概率的不死的你。

从上面的论述我们可以知道，多世界理论是根本不可能被证实的，准确地说只有很小的概率被自证。比如你是一个具有献身精神的物理学家，致力于证实多世界理论，就可以不断地尝试自杀。多次尝试之后，在绝大部分宇宙中，你都死了，可是对于那些活下来的你来说，你依靠多次自杀未死而证实了多世界的存在。但这只能说服你自己，一旦你把这套说辞公之于众，肯定被当做神经病。而且代价太大了，完成这个实验，你得把绝大部分宇宙中的自己都杀死才行。

薛定谔病毒出场

物理学家是具有百折不回的精神的，既然从逻辑推理上无法给薛定谔猫做出定论，那就用实验来说话。他们继续创造薛定谔猫的新后代。从小到大，从易到难，我们慢慢来。人们首先创造出来的是原子的叠加态，让一个原子处于相距80纳米的两个位置之间的叠加态。然后我们创造出多个粒子之间的叠加态。但是这些实验的对象都是不具备生命的粒子团，与猫这种生命体有本质的区别。

终于在2009年，科学家们提出可以把某些病毒制备到量子叠加态，他们称之为薛定谔病毒。这是首次有人提出可以把生命体制备到量子叠加态（如下图所示），并给出了实验上可行的方案描述。这是一个突破性的进展。通过光镊技术，可以把几十个纳米大小的病毒振子束缚在光势阱中。这个病毒振子的运动几乎是完全与环境脱耦的，有可能通过光驱动冷却到基态，从而制备出薛定谔猫态。要知道，很多病毒是能够在真空中生存的，且不会吸收光波的能量，适合被光镊操控。因此如果我们把病毒束缚在真空光镊中，我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。

把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源：iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/

在这篇论文发表不久，美国德州奥斯丁大学的李统藏等人就在实验上实现了对微米小球的光镊操控和测量。一年后同一个组又把小球的温度冷却到了1.5毫开尔文。这一系列的实验证实了，把病毒冷却到接近量子基态，然后制备出薛定谔猫态是可行的。接下来要做的就是进一步冷却到量子基态，然后用病毒代替微米小球，制备出薛定谔猫态来。有了薛定谔病毒之后我们能做什么呢？让我们来完成量子自杀这个疯狂的实验吧。我们可以用激光来杀死处于薛定谔病毒态中“死”态的病毒，然后重复制备薛定谔病毒态，用激光杀死处于“死”态的病毒。多次重复后，至少在实验室里这个狭小的量子世界中，可以找到一个“永生”的病毒。

本文版权属于果壳网（guokr.com），转载请注明出处。商业使用请联系果壳

archers

不太明白。猫难道不是观察之前就只有一种状态吗？只是这状态人不知道而已？

kaleege

archers 发表于 2015-10-27 16:35
不太明白。猫难道不是观察之前就只有一种状态吗？只是这状态人不知道而已？ ...

有两种解释，你这种解释叫做隐变量解释，量子有确定状态，只是人无法观察到。
另一种是哥本哈根解释，量子状态本身就是不确定的，是两种状态按概率的叠加，只有到人去观察的那一刻才确定。

为什么会有哥本哈根解释呢？著名的单光子双缝干涉实验。
把光弄到很弱的情况下，一个光子一个光子地通过双缝，你想知道光子通过了哪条缝。
你不能去观测光子，因为如果在缝上设立观测器，就改变了光子的状态，形成不了干涉图案。
你可以假设，一个光子有确定的位置，确实只通过了一个缝，有的光子经过左缝，有的经过右缝。
至于哪一个，我们不知道而已。实验结果是，时间足够长以后，多个光子打在屏幕上，还是形成了双缝干涉图案。

这样问题就来了：如果光子只经过了一个缝，那么光子怎么知道这是一个单缝实验还是双缝实验？
因为如果是单缝的话就应该出现衍射图案。双缝干涉图案并不是两个单缝衍射图案的叠加，光子的落点被改变了。
光子怎么知道除了他经过的那个缝以外还有另外一个没经过的缝？然后根据是否存在另外那个缝来改变自己的落点？
两道光同时通过，你可以说这两道光互相干涉。现在每次都只有一个光子通过，是谁干涉了这个光子的落点的概率？

哥本哈根解释就是，在不观测的情况下，一个光子没有确定的位置，即通过了这条缝，也通过了那条缝，
以概率波的形式同时经过双缝，自己跟自己发生了干涉。
只有到被观测的情况下（打到了屏幕上），概率波才坍缩为一个点。

按照这个解释，在不观测的情况下，量子没有确定状态，只以概率的形式存在。
对这个离经叛道的解释，大家非常非常不爽，薛定谔提出了薛定谔的猫这个佯谬。
以宏观的物体生死叠加这个看似荒谬的状态，来驳斥哥本哈根解释。
没想到哥本哈根学派说：没错，这只猫就是又生又死，你打我呀。薛定谔顿时哑口无言。
如果猫只不过是生死确定，我们不知道而已，那也没什么稀奇。薛定谔的猫也不会这么出名。

不仅仅是薛定谔不爽，爱因斯坦也很不爽。爱因斯坦提出了EPR佯谬。
一对自旋电子自旋方向一定是相反的。
到底是他们的自旋方向是本来就确定相反，只是我们还没去观测呢?
还是两个自旋方向不确定，到了观测那一刻才突然变得相反?
哥本哈根解释是第二种，听上去很荒谬。
因为这两个电子完全可以往相反方向飞了几光年远，这个电子被观测了，
另一个电子瞬间就得到信息决定要相反自旋，这不是超距作用吗？
看上去好像违背信息传播速度不会超过光速的相对论原理。

到底是隐变量正确，还是哥本哈根解释正确。看上去我们很难证明。
但是贝尔又设计了一个巧妙的贝尔不等式实验，
通过检测电子的自旋，可以根据一个不等式来判定到底是本身自旋确定，还是自旋叠加。
看这个视频解释贝尔不等式：https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647c
贝尔不等式实验的要求很苛刻（光速啊），当年很难具备严格的实验条件来证明贝尔不等式。
最近一次贝尔不等式实验，算是达到了严格的标准，基本可以说哥本哈根解释已经被证明。
超距作用确实存在，而定域的隐变量不存在。
其实这种量子纠缠并不能用来传递信息，所以没有违反相对论。

KingOfLunhui

查，太复杂了，问问奥赛金牌能不能看懂。

kaleege

KingOfLunhui 发表于 2015-10-27 19:52
查，太复杂了，问问奥赛金牌能不能看懂。

靠，我已经写得那么科普了，连一个数学公式都没有。

KingOfLunhui

kaleege 发表于 2015-10-27 22:06
靠，我已经写得那么科普了，连一个数学公式都没有。

靠，你智商比奥赛金牌还高。

archers

kaleege 发表于 2015-10-27 18:36
有两种解释，你这种解释叫做隐变量解释，量子有确定状态，只是人无法观察到。
另一种是哥本哈根解释，量子 ...

解释的很清楚，宫本要学习卡里哥解释问题的手法。

看完了又有新的疑问，如何证明“观测导致了坍缩”这个理论是正确的，有没有其他可能导致了双缝干涉和量子纠缠的观测结果？

三个量子是如何纠缠的？如何两两相反？

archers

dsb 发表于 2015-10-28 08:32
就是条件概率和事前概率， 披上什么量子太的狗屁外衣来装神弄鬼糊弄白痴， 跟量子态一毛钱关系都没有，  ...

是真的吗？我老该相信谁

kaleege

dsb 发表于 2015-10-28 11:12
谁都不要轻信（哪怕奥赛金牌估计也是冒牌的）， 相信自己的common sense最重要 ...

搞科学的竟然相信common sense? 哈哈，相信common sense的话就不会有相对论了。

kaleege

archers 发表于 2015-10-28 08:58
是真的吗？我老该相信谁

自己去搜索“哥本哈根解释”。dsb就是个民科。哥本哈根解释的逻辑是严谨的，有逻辑的仔细想想就知道，这个东西用事前概率解释能解释得通吗？dsb大概连中学的衍射和干涉什么区别都忘了。

kaleege

archers 发表于 2015-10-28 08:22
解释的很清楚，宫本要学习卡里哥解释问题的手法。

看完了又有新的疑问，如何证明“观测导致了坍缩”这个 ...

不是任意两个量子之间都发生纠缠。
一对纠缠的量子是一个零自旋粒子衰变同时产生的，所以才自旋相反，因为加起来要等于0。
一旦对其中一个进行观测，他们之间的纠缠态就断开了。

有没有三个量子的纠缠我不知道。

kaleege

archers 发表于 2015-10-28 08:22
解释的很清楚，宫本要学习卡里哥解释问题的手法。

看完了又有新的疑问，如何证明“观测导致了坍缩”这个 ...

观测导致坍缩就是哥本哈根解释的一部分。因为它假定观测前都是不确定的，观测的时候又是确定，那么唯一改变从不确定到确定的因素就是观测。

其他任何可能导致观测之前量子就带有确定状态（而且我们尚不清楚）的因素都是隐变量。
你还可以去搜索“延迟选择实验”，是双缝干涉实验的升级版，更加诡异。

kaleege

dsb 发表于 2015-10-28 15:20
扯淡， 你这种科学白痴（不是骂你啊，找不到何其词，感觉你就是书呆子）， 还真以为牛顿力学， 爱因斯坦 ...

这不是common sense，common是什么意思，普遍的意思，common sense是普罗大众普遍的常识性想法。

爱因斯坦follow的是严谨逻辑，不是common sense。当时全世界只有爱因斯坦自己一个人产生的想法，怎么定义为“普遍”?

同样的，量子力学也是follow严谨逻辑，不是common sense。

thordric

说真的这个没法细想，已经脱离逻辑或科学，到了哲学的高度了。