愛因斯坦與薛定諤的貓
專欄
作者：苗千
最近，隨著《自然·物理學》（Nature Physics）雜誌上的一篇論文，薛定諤的貓又成為很多物理學家辯論的焦點。這一次，另一位大師也被拉進了爭論：愛因斯坦是否殺死了薛定諤的貓？
2015年6月15日，維也納大學的物理學家伊戈爾·皮可夫斯基（Igor Pikovski）與幾位同事在《自然·物理學》雜誌上發表論文《由引力時間膨脹引發的全局性退相幹》（Universal decoherence due to gravitational time dilation），在量子領域內引入了一個通常會被忽視的因素：引力效應。根據論文作者的分析，起碼在地球表麵上，因為愛因斯坦的廣義相對論效應，薛定諤的貓很有可能不會同時又生又死。
為什麼一個宏觀物體（比如一隻貓）不能像一個電子一樣，展現出量子效應，同時處在不同的位置？對於這個問題，目前物理學家們比較公認的解釋是，一個宏觀物體無時無刻不在與外部世界進行著交流，與周圍的粒子形成糾纏態，相當於外界環境始終對這個宏觀量子係統進行“測量”，由此使它一直展現出宏觀狀態。想要使一個由多個粒子構成的物體呈現出量子態，就要盡可能地孤立這個它，使它無法與外部世界進行交流。2010年，加州大學聖巴巴拉分校的幾位物理學家就是在接近絕對零度的溫度條件下，盡可能地隔絕外部環境的影響，使一段60微米長的金屬在幾納秒內呈現出了量子疊加態，這也是人類首次使“肉眼看得到的物體”呈現出量子態。
但是對於一個更大的物體來說，此前通常被人忽視的廣義相對論效應很可能就會起到決定性的作用。作者分析，當一個稍大的物體處於疊加態時，其處於不同的位置會因為引力場的作用而影響其內部能量，從而產生“退相幹作用”，從而使這個物體自動退出疊加態而呈現出經典的狀態。也就是說，無論物理學家們多麼努力地設計實驗，減少外界的影響，隻是因為地球引力場的存在，他們仍然無法在地球表麵上使一個宏觀物體呈現出量子疊加態，隻有在引力場微弱的區域（比如在月球表麵或是宇宙空間站上）才有可能忽略掉廣義相對論效應所產生的時空扭曲，薛定諤的貓在這種情況下才有可能同時又生又死。
無論如何，在地球表麵進行的量子實驗中，引發退相幹現象的，大多都來自其他對量子係統構成更大影響的幹擾源，例如周圍磁場的影響、熱輻射的影響以及實驗設備的震動等等，引力效應對於一個量子係統來說實在是太過微弱，是否能夠在地球表麵的量子實驗中觀測到這種影響？很多物理學家都表示這是一個有趣的想法，但是想要付諸實踐難度相當大。
維也納量子科技中心的物理學家馬庫斯·阿恩特（Markus Arndt）想要進行這樣的嚐試。他目前正在利用由810個原子組成的大分子進行雙縫幹涉實驗，讓這些大分子相互幹涉，呈現出波粒二象性。從理論上來說，如果地球表麵的廣義相對論效應確實對於一個量子係統有影響，那麼對於這個實驗來說，幹涉條紋相對於引力場是垂直或平行擺放，將會出現不同的實驗結果。但是問題在於，想要使這種區別顯而易見，實驗設置的雙縫間距就要從微米變為米，進行試驗的分子的質量也要再提高100萬倍，這對於目前的實驗條件來說幾乎不可能實現。