爱因斯坦与薛定谔的猫

奥地利物理学家薛定谔

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。

维也纳大学物理学家伊戈尔·皮可夫斯基

维也纳量子科技中心的物理学家马库斯·阿恩特（Markus Arndt）想要进行这样的尝试。他目前正在利用由810个原子组成的大分子进行双缝干涉实验，让这些大分子相互干涉，呈现出波粒二象性。从理论上来说，如果地球表面的广义相对论效应确实对于一个量子系统有影响，那么对于这个实验来说，干涉条纹相对于引力场是垂直或平行摆放，将会出现不同的实验结果。但是问题在于，想要使这种区别显而易见，实验设置的双缝间距就要从微米变为米，进行试验的分子的质量也要再提高100万倍，这对于目前的实验条件来说几乎不可能实现。

论文中提到的问题是否足够重要，将会成为未来量子实验中一个新的考量因素？有一些物理学家并不认同。北欧理论物理研究所的物理学助理教授萨冰·霍斯菲尔德（Sabine Hossenfelder）认为，地球表面的引力场对于量子系统来说是一种几乎可以被忽略的效应，就是因为其太过微弱，此前几乎没有物理学家对此注意过。就算这篇论文提醒人们注意到广义相对论效应存在于量子系统中，它也不会对于量子实验产生太大的影响。霍斯菲尔德认为，引力场未必一定会对于宏观物体的量子态产生影响，在地球表面的引力场中，只有当物体的质心发生变化，才有可能产生微弱的广义相对论效应，但是如果一个物体只是进行旋转，质心的位置并不发生变化，那么它也就自然不会受到广义相对论效应的影响。

维也纳量子科技中心物理学家马库斯·阿恩特

“宏观物体”因为由众多的粒子组成，粒子之间相互作用的能量有可能受到广义相对论效应的影响，霍斯菲尔德对于论文中作者的计算模型并不信服。论文中举例，一个宏观的试验样本大概含有1023个粒子（阿伏伽德罗常数），如果考虑到广义相对论效应的影响，那么产生退相干效应的时间将是微秒级的。但是根据这个模型进行计算，如果一个实验样本只是由上百个粒子组成，那么它由广义相对论效应所产生的退相干时间则会达到107秒，几乎长达一年，这对于实验物理学家来说实在是太过美好（这个时间的计算未必有误，其只是考虑了广义相对论效应的影响而没有计入其他因素）。

皮科夫斯基论文的预印本此前已经在网上公布了两年的时间，发表在《自然·物理学》杂志上之后自然吸引了更多的关注，但是这篇论文之所以能够引起人们广泛的关注和讨论，更重要的原因在于它把量子力学和广义相对论这两个物理学的基础理论包含在一起。这难免不会让人联想到物理学家几十年来一直希望这两种目前互不相容的理论结合起来，创造一个完善的量子引力理论的努力。实际上，这篇论文中并没有涉及量子引力理论的研究，它所揭示的是人们都已经熟知并且认同的现象，并不需要对于广义相对论或是量子理论进行任何修改，而对于“薛定谔的猫”的生死状态，量子测量问题，以及波函数的本质，也并没有进行更深入的探索，但是对于文中提到的在地球表面广义相对论效应对于量子退相干效应的影响，无论效果是否显著，从此都一定会吸引到更多物理学家的关注和考量，也将会是未来量子实验领域一个令人感兴趣的话题。

（本文写作参考了《自然》杂志的报道） 物理学爱因斯坦薛定谔