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木虫 (职业作家)

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[交流] 薛定谔的猫之后，量子力学鸽笼问题又来了已有9人参与

几十年来，量子力学的奇异性都是通过“薛定谔的猫”这一思想实验来展现的：把猫关在盒子里，盒子里放有一个放射性原子，发生衰变的概率为50%，一旦原子衰变，放出的射线就会触发瓶子里的毒药把猫毒死，因此猫活下来和死去的概率各为一半，或者说，在盒子打开之前，猫处于既是活的又是死的状态。
不过薛定谔的猫怕是要过时了——科学家提出了新的量子“鸽笼”难题：可以把三只鸽子放到两个鸽笼里，并使同一个鸽笼里不能有两只或以上的鸽子吗？

按照常理，把三只鸽子放到两个鸽笼里，无论如何都会有两只（或是三只）鸽子在同一个鸽笼里，这被称为“鸽笼原理”，违背它好像是不可能的。但在量子世界，没有什么事情是绝对不可能发生的。美国查普曼大学教授亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov，1932年生于以色列，曾与戴维·博姆共同提出量子力学的Aharonov-Bohm效应而获得1998年的沃尔夫奖）与合作者近期在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表论文，称他们已经找到了方法，可以把三个（甚至无限多个！）粒子放在两个盒子里，同时保证没有两个粒子在同一个盒子里。

而秘诀，当然是利用量子力学奇妙的非局域性“魔法”。在量子世界，一个物体可以同时位于两个地方。研究者让每一个粒子都处于同时在两个盒子内的叠加态上，再对三个粒子的态进行一个变换，就能找到一种情况，使任何两个粒子的态都不在同一个盒子里。

不过，有一个最关键的问题：量子力学的非局域性只在没有观察/测量的时候才成立，就好像薛定谔的猫只有在打开盒子之前才能处于既活又死的状态，一旦打开盒子观察，猫就会“坍缩”成两种状态中的一种，要么活着，要么死去。同理，一旦观察了粒子，每个粒子就会确定无疑地落到两个盒子中的一个中，不可避免会出现两个或三个粒子处于同一个盒子中的情况。而如果不能直接观察，我们该如何确认粒子违反了鸽笼原理呢？

论文合作者之一，查普曼大学的杰夫·托拉克森（Jeff Tollasken）说：“如果你手中只有锤子一种工具，你就只能用锤子钉钉子的方法来对待一切事物，但这种‘板上钉钉’式的直接测量并不适合所有情况，尤其是在量子力学领域。”

这个难题困扰了阿哈罗诺夫多年。在近20年中，他和同事们一直在研究一种新的“弱测量”（weak measurement）方法。如果说普通的测量就像用锤子轰击被观察的盒子，确定无疑但也摧毁了量子系统，弱测量方法就像用手指轻轻敲击盒子，在观察的同时仍能保持每只“鸽子”仍处于叠加态上。

在论文中，阿哈罗诺夫与合作者提出了两种实验方案可以违反鸽笼原理，一种使用电子作为“鸽子”，一种使用原子。使用电子的实验装置示意图如下，将三个电子平行射入分束镜BS1，分束器将三个电子将被分为透射和反射两束，这就对应了三只鸽子和两个鸽笼。如果两个电子处在同一束，它们之间就会发生相互作用，使运行的路径发生改变，而如果两个电子分别处于两束路径中，由于距离较远，它们之间就没有相互作用。在实验中，科学家需要多次入射三个电子组成的电子束，最终观察打在探测器D1的屏上的所有电子累积形成的图案，通过图案就能区分任两个电子是处于同一个“笼子”里，还是来自不同的“笼子”。

阿哈罗诺夫所设想的这一实验，在将来很可能得以实现——至少他所提到的弱测量方法已经由托拉克森和另一位合作者，维也纳理工大学的长谷川祐司在物质波干涉仪实验中实现，并于去年12月发表在了《物理评论A》上（Phys. Rev. A 92, 062121）。

阿哈罗诺夫称，这一研究不仅提出了量子力学中此前一直被人忽视的有趣现象，也促使我们深入探索量子力学与大自然中的本质特性，如非定域性、相干和可分离性等等。托拉克森表示：“现在要想谈论这个研究有什么深远意义或许还太早了一些，但对于量子力学基本概念的探索无疑是重要的。”（撰文丁家琦）

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