生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你


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刘慈欣在《球状闪电》中描写过变成量子态的人,他们被观察时会坍缩消失,独处时又会幽灵般出现,不生亦不死。量子态的生命有没有可能存在呢?如果可能,会不会像小说中那样不生不死呢?这要从薛定谔家那只著名的猫说起……

薛定谔猫带来历史难题

既生又死的薛定谔猫。 图片来源:huangmai8.wordpress.com既生又死的薛定谔猫。 图片来源:huangmai8.wordpress.com

薛定谔猫是由伟大的物理学家薛定谔提出的一个理想实验,为了指出量子力学哥本哈根解释的不完备性。设想在一个封闭的盒子里面,放着一只猫。在箱子的 一角有一个装有毒气的瓶子,瓶子是封闭的。另外,还有一个放射性原子核与瓶子连接起来,毒气瓶的封口会被放射性原子核衰变发出的粒子给打破,放出毒气,杀 死猫。在一定的时间范围内,放射性物质发生衰变放出粒子的概率是一定的。比方说,在1个小时内,放射性原子核将有50%的概率发生衰变,有50%的概率不 发生衰变。那么在我们打开箱子观看猫的死活之前,我们是不知道其是生是死的。我们可以说,猫处于既是生、又是死的量子叠加态。一旦我们观察了猫,它就会塌 缩到“生”或者“死”之中的某个状态。

量子叠加态的概念在微观的量子世界是很具备说服力的,是解释诸多实验现象必不可少的理论。可是当薛定谔把这个概念借由“薛定谔猫”这个理想实验推广 到宏观世界后,就与我们的常识产生了极大的冲突。我们何曾在生活中看到过既死又活的生物呢?如果我们否认薛定谔猫的存在,就是把世界运行的规律给硬生生的 割裂开来了:微观世界只适用量子物理规律,而宏观世界适用经典物理规律。在避开了这个麻烦之后,又给我们引入了另外一个深刻的问题:量子与经典的界限在哪 里?我们可以在多大的系统中找到薛定谔猫态呢?争议存在了很多年,一直没有定论。

用量子自杀验证多重宇宙,并非易事

尽管薛定谔猫提出后带来了诸多争议,但是这个绝妙的想法还是给了人们很多灵感,于是各种薛定谔猫的变种和后代不断涌现。其中最重要的是艾弗雷特 (Evertt)的多世界理论,或者说波函数从不塌缩的假设。这个理论可以概括为薛定谔方程在所有时刻都成立;也就是说,宇宙的波函数从不塌缩。在艾弗雷 特的理论中没有提到平行宇宙或者世界分裂,它们蕴涵于理论中,而不是事先假定的。他天才的洞察力在于,这个无塌缩的量子理论实际上与实验观测是一致的。通 过艾弗雷特的理论,我们发现描述一个经典实在的波函数会逐渐演化,最终变为描述多个经典实在(即多个世界)相互叠加的波函数。对观察者而言,就是一个确定 的物理系统,随着薛定谔方程的演化,变为一个按照一定几率分布的随机性系统,其几率与波函数塌缩办法算出的一致。

把艾弗雷特的理论稍微推广一下,我们就可以得到另外一个反直觉的推论:量子自杀假说,或者说量子永生。什么叫做量子自杀呢?很简单,我们重新思考一 下薛定谔猫的实验,这一次我们把实验的视角变换到猫身上。对于猫来说,尽管有一半的概率生,一半的概率死,可是只要猫还意识到自己活着,那么它一直处于生 的那一边,它就不会死去。让我们把这个例子变得更加极端一点。假设有这么一个人,一心寻死,第一次选择上吊,可是总有一定的概率绳子断裂而不死。于是宇宙 分裂为两个,一个宇宙中,这个人由于上吊而死;另外一个宇宙中,他由于绳子断裂而活下来了。接下来他继续寻死,选择了跳楼,但总是有很微小的几率由于某些 原因他跳楼也死不了。由于量子多世界理论,在某个世界中,他总是活着,怎么也死不了,于是从某种意义上而言,他“永生”了。

“量子自杀”将产生一定概率的不死的你。“量子自杀”将产生一定概率的不死的你。

从上面的论述我们可以知道,多世界理论是根本不可能被证实的,准确地说只有很小的概率被自证。比如你是一个具有献身精神的物理学家,致力于证实多世 界理论,就可以不断地尝试自杀。多次尝试之后,在绝大部分宇宙中,你都死了,可是对于那些活下来的你来说,你依靠多次自杀未死而证实了多世界的存在。但这 只能说服你自己,一旦你把这套说辞公之于众,肯定被当做神经病。而且代价太大了,完成这个实验,你得把绝大部分宇宙中的自己都杀死才行。

薛定谔病毒出场

物理学家是具有百折不回的精神的,既然从逻辑推理上无法给薛定谔猫做出定论,那就用实验来说话。他们继续创造薛定谔猫的新后代。从小到大,从易到 难,我们慢慢来。人们首先创造出来的是原子的叠加态,让一个原子处于相距80纳米的两个位置之间的叠加态。然后我们创造出多个粒子之间的叠加态。但是这些 实验的对象都是不具备生命的粒子团,与猫这种生命体有本质的区别。

终于在2009年,科学家们提出可以把某些病毒制备到量子叠加态,他们称之为薛定谔病毒。这是首次有人提出可以把生命体制备到量子叠加态(如下图所 示),并给出了实验上可行的方案描述。这是一个突破性的进展。通过光镊技术,可以把几十个纳米大小的病毒振子束缚在光势阱中。这个病毒振子的运动几乎是完 全与环境脱耦的,有可能通过光驱动冷却到基态,从而制备出薛定谔猫态。要知道,很多病毒是能够在真空中生存的,且不会吸收光波的能量,适合被光镊操控。因 此如果我们把病毒束缚在真空光镊中,我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。

把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源:iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源:iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/

在这篇论文发表不久,美国德州奥斯丁大学的李统藏等人就在实验上实现了对微米小球的光镊操控和测量。一年后同一个组又把小球的温度冷却到了1.5毫 开尔文。这一系列的实验证实了,把病毒冷却到接近量子基态,然后制备出薛定谔猫态是可行的。接下来要做的就是进一步冷却到量子基态,然后用病毒代替微米小 球,制备出薛定谔猫态来。有了薛定谔病毒之后我们能做什么呢?让我们来完成量子自杀这个疯狂的实验吧。我们可以用激光来杀死处于薛定谔病毒态中“死”态的 病毒,然后重复制备薛定谔病毒态,用激光杀死处于“死”态的病毒。多次重复后,至少在实验室里这个狭小的量子世界中,可以找到一个“永生”的病毒。

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