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第9章 瞬间移动时间机器和快速转动（第2页）

爱丽丝会以相应的模式撞击屏幕，告诉我们24小时后科学家将以怎样的顺序设置鲍勃探测器。这样我们就可以成功地发送溯时信号。

遗憾的是，这又是一个圈套。通过观察单个的爱丽丝粒子，我们不能判断她穿过的是一条狭缝还是两条狭缝。每个粒子都撞在屏幕上随机的位置，这既可以是经典粒子的行为，也可以是量子粒子的行为。只有观察成千上万个爱丽丝／鲍勃粒子对，并比较他们的百分比，我们才能观察涉及条纹的量子效应。

这意味着我们只能在实验结束后观察到时间旅行效应，而不能在实验过程中观察。爱丽丝每次做出选择的时候，我们必须擦除对她的了解，否则就看不到量子效应。这个实验因此得名：延迟选择量子擦除实验。

无论这种现象是什么，它都只是发生在盒……母鸡体内的隐喻。只有当它先发生了，我们才能看到。说实话，量子力学是一场轻浮的挑逗。

这世界本不该有意义

在哥本哈根诠释中，科学家认为，在小于“海森堡边界”的地方，量子效应占主导地位，而大于“海森堡边界”的地方由经典物理接管。任何小于海森堡边界的东西都遵循薛定谔方程，而大于海森堡边界的东西则服从牛顿定律。这是一种物理学的表述，意思是“我们不知道将发生什么”。

问题在于，由于纠缠，海森堡边界不可能真的存在。如果你开始把量子力学应用到单个粒子上，就能很轻松地把它应用在两个、三个、四个或任意多个粒子上。量子纠缠可以将任意数量的粒子连接在一起，因此可以描述整个人类、所有种群和全部行星的薛定谔波函数。

长期以来我们本该看到了量子的疯狂，但显然我们没有。这是我们之前遇到的五大问题之一，也是近年来我们取得不错进展的问题之一。

想象测量一对纠缠粒子的自旋，比如说其中一个是上旋，它的纠缠伙伴会立即变成下旋，两者不再相互联系。它们不再由相同的波函数控制，所以纠缠态被打破了，我们可以把它们描述成独立本征态。

现在想一下测量行为本身。我们在测量一个粒子时，所发生的事情是该粒子与探测器中的一个粒子发生纠缠，同时切断了与之前相互纠缠的粒子的联系。

测量纠缠对中的一个粒子就是用一组纠缠替换另一组纠缠，这意味着测量某物就相当于与某物纠缠，即使我们测量的是单个粒子。

如果在测量之前单个粒子处于上／下旋叠加态，这相当于它与自身纠缠。它有两个可能的结果，这两个结果是通过相同的波函数联系起来的。当我们测量的时候，这种自我纠缠被打破了。

薛定谔的猫活着／死了

抛硬币的时候，我们认为有两种结果：正面或反面。但严格来说，还有第三种可能：硬币可能竖着，即在旋转时突然停下来。

现在想象当硬币旋转的时候，慢慢地用手指接近它。在你摸到它的那一刻，硬币会坍缩到一侧或另一侧，结束危险的舞蹈。硬币的两面代表有两种可能状态的粒子，旋转代表一种叠加态，我们的手指相当于测量仪器，它使波函数坍缩。

到目前为止，哥本哈根诠释就是这样的。但这个类比是有缺陷的。触摸硬币的手指并不是不同类型的物体，而是一种由粒子组成的探测器，遵循与硬币相同的量子定律。因此，我们不应该用手指，而应该把探测器想象成另外一枚硬币在桌面上旋转，同时靠近我们感兴趣的那枚硬币。探测器和粒子处在一种叠加态中，相遇的时候，它们撞在一起，坍缩成一种本征态。

如果让旋转的速度恰到好处，理论上来说这些硬币会与它的旋转舞伴（一个纠缠对）紧密配合，并保持叠加态。对真正的硬币来说，这种情况不会经常发生；但对于粒子而言，这不过是家常便饭—只要波函数达成一致。

想象一下让100枚硬币一起旋转，形成一个巨大的纠缠，这是非常困难的事情。即使你做到了，这种布置也是非常不稳定的。其中的一枚淘气硬币或者外来的一枚硬币都会使一切坍缩。因此，相互作用的粒子越多，就越难形成叠加态。

多少个粒子会使系统突然成为经典系统？不存在特定的数字。经典物体有太多的粒子，几乎不可能让它们同时处在协调的位置。经典世界的存在是因为叠加态是不稳定的，但没有哪条定律规定，我们不可以让一个大物体处于叠加态。

一只猫可能有数万亿个粒子，如果每个粒子都非常同步地纠缠在一起，叠加态就可以适用于整只猫。然而，你不可能看到这种情况，因为空气中的一个分子就可以把整件事情搞砸。

薛定谔认为猫不可能既死又活，因为在形而上学中这是不可能的。他是对的，但理由错了。盒子里的放射性粒子可以处于叠加态，但一旦它与更大的物体接触，就会变得越来越不可能保持叠加态。

如果我们设法让猫体内的每一个粒子都完全一致并完美纠缠，那么一旦猫与盒子发生相互作用，死／活的叠加态就会消散。让猫既死又活的唯一方法是把它与周围环境分隔开。2014年8月，物理学家阿龙·奥康奈尔就是这样做的。

宏量子

奥康奈尔实验中的“猫”实际上是一块跳水板形状的金属，宽60微米，大致相当于人类头发的直径。为了防止内部粒子相互作用而产生不协调，奥康奈尔将金属板悬浮在微型游泳池上方，整个系统被放在盒子里，冷却到绝对零度（5）以上几摄氏度。材料中的任何随机振动都可能使一切坍缩，但如果所有粒子都处在低温下，整个物体就相当于一个大粒子。

接着，把金属板连接到盒子外面的电路上，通过测量电路的电流，奥康奈尔就可以在不打开盒子的情况下观察金属板的行为。在这种低温状态下，奥康奈尔打开机器，吸出所有的空气，防止空气与金属板发生纠缠。量子魔法随即发生。

金属板的振动既轻柔又强烈，粒子的移动既剧烈又温和，这意味着每隔几纳秒，原子就会同时出现在两个地方，既接近平衡位置，又远离平衡位置。奥康奈尔建立了世界上第一台量子机器。

2018年5月，迈克尔·范纳创建了一个量子鼓，扩大了实验的规模。量子鼓可以同时振动和静止。在实验中，将一层1。7毫米的薄膜（大约一粒沙子的厚度）放置在光子的路径上，光子可以选择是否撞击薄膜。在叠加状态下，撞击和不撞击同时发生，这意味着：当鼓吸收光子的动量时，它会振动；当光子选择节奏较慢的路径时，鼓会静止。

这种振动非常微弱，实际上每秒只有几个光子撞击鼓面，所以肉眼是看不见的。但范纳的灵敏仪器能够探测到沿两条路径移动的光子，这意味着鼓同时振动和静止。范纳的实验是在室温下进行的，因此更引人注目。

然而，人类观察到的最宏大的量子现象发生在几年前。2017年，由大卫·利兹领导的一个团队用绿硫细菌标本做实验，把激光照射在装有细菌标本的反光镜箱里，希望以此影响光合细胞中的电子。

他们没有意识到，激光中的光子与细菌中的电子产生纠缠，使细菌和光束形成叠加态。第二年，基娅拉·马莱托指出了这一点[6]。这是可能的，因为盒子里充满了光，细菌无法与其他东西相互作用，这意味着它们与激光的纠缠链可以维持相当长的时间。量子现象显然可以应用于生物。

我们生活在物理学的奇妙时代，即将发生的事情是前所未有的。人们一直认为量子力学局限在非常小的世界，局限在微观世界，局限在蚁人的世界。但在过去的几年里，我们开始把量子规则应用到日常的宏观世界中去。宏量子时代已经到来。

（1）　Instagram是一款在线图片和视频分享的社群应用软件。—译注

（2）　指系列科幻电影《星际迷航》的粉丝。—译注

（3）　在电子电路中，“与或非门”的作用是实现电路的逻辑功能；在量子线路中，“量子门”起到类似的作用。受控非门和阿达马门是常用的量子门。—译注

（4）　霍格沃兹是英国作家J。K。罗琳的魔幻小说《哈利·波特》中的魔法学校。—译注

（5）　绝对零度，即-273。15℃，接近这个温度时，粒子的运动会接近停止。—译注