薛定諤的貓能被偷看了!物理學家想出一種辦法,而且還不會殺死貓

薛定諤的貓是一項著名的以貓為基礎的思維實驗,它描述了亞原子粒子的神秘行為。不幸的是,想象中的貓在盒子裡是同時以“死”和“活”兩種狀態疊加存在的,就像亞原子粒子同時以多種狀態疊加存在一樣。但是如果你很好奇想要親眼看看盒子裡的貓,只要你打開盒子看,就會改變貓的狀態,這樣貓就會處於或者活著或者死去中的一種狀態。

薛定諤的貓能被偷看了!物理學家想出一種辦法,而且還不會殺死貓

現在物理學家想出了一種偷看薛定諤的貓的方法,而且還不會讓這隻神秘的貓永遠的死去。10月發表在《新物理學雜誌》上的研究描述了一種既能看到貓,又不會導致它活著或死亡的方法。通過該方法,可以促進科學家對物理學中最基本的悖論之一的理解。

在我們這個尋常的大範圍的世界裡,一個物體看著似乎不會改變。但如果你把它足夠放大,結果可能就不是這樣了。通常我們認為我們看到什麼東西並不需要什麼代價,但事實上並不是這樣,為了觀察一件東西,你必須需要光的存在。光會改變物體,這是因為即使是一個光子也會將能量從你所看到的物體中轉移出去或轉移到它身上。

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該研究的第一作者、日本廣島大學物理學副教授霍爾格·霍夫曼,以及當時在廣島大學學習的卡爾蒂克·派特卡爾,想知道有沒有一種方法,可以讓人們在不“付出代價”的情況下來觀察真相。他們找到了一個數學框架,該框架將最初的互動(看貓)和讀數(知道貓是死是活)區分開來。

研究人員的主要動機是仔細觀察量子測量的發生方式,關鍵是將測量分為以上兩個步驟。通過該方法,研究人員能夠假設一種狀態:所有參與初始互動的光子,或者說是偷看貓的光子,都被捕獲了,同時還不會丟失關於貓的狀態的任何信息。所以在讀數之前,所有關於貓的狀態以及觀察它是如何改變的信息都是可用的。只有當我們讀出來這些信息的時候,我們才會失去其中的一些信息。有趣的是,讀出過程會選擇這兩種信息中的一種,然後完全抹去另一種。

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下面是他們如何用薛定諤的貓來描述他們的工作。假設貓還在盒子裡, 與其在裡面看貓是活著還是死了,不如在盒子外面設置一個相機,該相機可以對裡面拍照。為了進行思想實驗,請忽略物理攝像頭實際上不能這樣工作的事實。拍照後相機會獲得兩種信息:當拍照時貓會如何發生變化,研究人員稱這種信息為量子標籤;以及互動後貓是活著還是死了。這些信息在那時還沒有丟失,然後取決於你打算“顯影”圖像的方式,進而檢索其中一條或另一條信息。

霍夫曼教授表示,試著想像拋一枚硬幣,你可以選擇知道硬幣是否被反轉,或者當前是正面還是反面,但是你不能兩者都知道。而且您知道量子系統是如何變化的,如果這個變化是可逆的,那麼就有可能恢復它的初始狀態。如果是硬幣,你會把它拋回去。你總是要先干擾系統,但有時你可以撤銷它。就貓而言,這意味著拍一張照片,與其把它沖洗出來看清楚,不如換一種方式沖洗,讓貓恢復到它的生死邊緣的狀態。

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重要的是,讀數的選擇需要在測量的分辨率和干擾之間進行權衡,二者是完全相等的。分辨率是指從量子系統中提取了多少信息,而干擾是指系統發生了多少不可逆的變化。換句話說,你越瞭解貓的當前狀態,你就越無法挽回地改變它。讓霍夫曼驚訝的是,消除干擾的能力與你從觀察到的信息或測量到的物理量直接相關,這裡的數學關係是相當精確的。

澳大利亞國立大學的理論物理學家邁克爾·霍爾指出,儘管之前的研究指出了在量子測量中分辨率和干擾之間的權衡,但這篇論文是第一次對確切的關係進行了量化,論文中的方法非常簡潔。


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