活生生的量子世界
量子力學不只與微小的粒子有關,還適用於大大小小的東西:鳥類、植物,甚至人類。
(1) 量子力學通常被認為是描述微觀之物(分子、原子、次原子粒子)的理論。
(2) 不過,幾乎所有的物理學家都認為它適用於各種大小的東西。它的特徵無法彰顯,不只是因為物體的大小。
(3) 過去幾年來,實驗學者從越來越多的巨觀系統看到量子效應。
(4) 纏結這種典型的量子效應可以發生於大的、常溫的系統裡,包含生物體在內,即便分子的振動可能會破壞其纏結。
根據標準的物理教科書,量子力學是微觀世界的理論,用來描述粒子、原子和分子;而描述巨觀尺度的梨子、人和植物時,就得改用一般的古典物理。分子與梨子間有個邊界,在那兒量子力學的奇特行為消失,出現我們熟悉的古典物理行為。量子力學只適用於微小世界的這種印象,普遍存在於人們的科學知識裡。例如,在暢銷名著《優雅的宇宙》的第一頁,美國哥倫比亞大學的物理學家格林恩(Brian Greene)提到,量子力學「提供一個理論架構,讓我們理解最小尺度下的宇宙。」古典物理(涵蓋量子以外的所有理論,包括愛因斯坦的相對論)則負責最大尺度的世界。
然而,對世界做這種方便的切割,其實是種迷思。很少現代物理學家會認為古典物理和量子力學具有同等的地位,古典物理應該僅是具有量子本質的世界(不論大小)的一種有用的近似。雖然在巨觀世界可能比較難看到量子效應,但原因基本上跟大小無關,而是跟量子系統彼此作用的方式有關。一直到10幾年前,實驗學者仍未證實量子行為可以出現在大尺度系統,如今這已是家常便飯。這些效應比任何人所想的都還要普遍,甚至可能出現在我們身體的細胞裡。
即使是我們這些靠研究這類效應吃飯的人,也還沒完全理解它所教給我們的、關於自然運作的方式。量子行為難以視覺化,也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀看這宇宙的方式,並接受一個新穎又陌生的世界圖像。
纏結難解的故事
對量子物理學家而言,古典物理是全彩世界的一個黑白影像,無法完整呈現這個豐富的世界。在舊教科書的觀點裡,當尺度一變大,色調就不再豐富。個別粒子具量子性質,一堆粒子則變為古典。然而,關於尺寸並非決定性因素的第一個線索,可以追溯到物理學最有名的思想實驗之一:薛丁格的貓。
1935年,薛丁格想出這個病態的情節來說明微觀與巨觀世界是連在一起的,我們無法畫出界線。量子力學說,放射性原子可以同時處於衰變及未衰變的狀態;若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥連上關係,使得原子衰變會導致貓死亡,則貓會如同原子般處於模稜兩可的量子態。怪異性質由一個感染到另一個,大小在此不重要,問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活?
以現代的觀點,世界看起來像古典的,是因為物體與環境間複雜的交互作用將量子效應掩藏了起來。例如,貓的生死資訊透過光子和熱交換,迅速滲漏到環境裡。量子現象會牽涉到不同古典狀態的組合(例如同時死與活),而這種組合很快會散逸掉。這種資訊的滲漏是「去同調」過程的基礎。
大的東西比小的容易去同調,這就是為什麼物理學家通常可以只把量子力學當成微觀世界的理論。但在許多例子裡,這種資訊滲漏可被減緩或停止,如此一來,量子世界就會全然顯露。纏結(entanglement)是典型的量子現象,這是薛丁格1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文裡發明的名詞。纏結將幾個獨立粒子綁為不可分割的整體。一個古典系統總是可以分割的,至少原則上是如此;由個別組件集合而得的性質,在個別組件裡也會有。但是纏結的系統無法如此分割,並且會導致奇怪的結果:纏結的粒子即使互相遠離,仍會表現為單一整體,這就是愛因斯坦所稱、著名的「幽靈般的超距作用」。
物理學家通常講的是電子等基本粒子的纏結。這些粒子可粗略想像為旋轉的小陀螺,以順時針或反時針方向旋轉,轉軸指向任意給定的方向:水平、垂直、45度角等。測量其自旋時,必須選定一個方向,觀測粒子是否順著那個方向轉動。
為了方便說明,假設粒子表現的是古典行為。你可以將一個粒子沿水平軸順時針方向旋轉,另一個沿水平軸反時針方向旋轉;如此一來,兩者的總自旋為零。它們的轉動軸在空間中是固定的,測量結果會取決於你選的方向是否沿著粒子的轉動軸。如果對兩者都做水平軸的測量,則會看到兩個粒子轉動方向相反;如果都做垂直軸的測量,則完全不會偵測到這兩個粒子的轉動。
然而,如果是具有量子性質的電子,則情況會驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零——即使你沒有給定個別粒子的轉動方向。測量其中一個粒子時,你會看到它隨機以順時針或反時針方向轉動,就好像粒子是自己決定要朝哪個方向轉。而且,不管你選擇測量哪個方向,只要對這兩個粒子測量同一方向,則測得的轉動方向永遠相反,一個順時針,一個反時針。它們怎麼知道要這樣做?這仍然是個極其神秘的性質。不僅如此,如果你對一個粒子做水平軸測量,對另一個做垂直軸測量,則個別仍可量到部份自旋;這就好像粒子沒有固定的轉動軸。因此,測量結果是古典物理無法解釋的。
誰在幫助原子排列?
是大部份的纏結實驗都只用到幾個粒子,因為一大群粒子不容易隔絕環境的影響,其中的粒子很容易跟無關的粒子纏結,破壞原始的內在連結。以去同調的說法,就是有太多資訊滲漏到環境裡,造成系統有古典的行為。對我們這些尋找纏結的實際用途(例如量子電腦)的研究人員來說,保持纏結是一項重要的挑戰。
2003年,有一個巧妙的實驗證實,如能減少滲漏或加以抵消,則大的系統也可以保持纏結。英國倫敦大學學院的伊普利(Gabriel Aeppli)等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場裡。鹽裡的原子就像旋轉的小磁棒,會盡量與外加磁場同向,這種反應表現為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般,會讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場強度,然後測量原子排得多快。他們發現,原子的反應速度比彼此作用力的強度所能提供的還快。顯然有額外的效應幫助原子排列整齊,而研究人員認為這是纏結造成的。若真如此,則鹽塊裡1020個原子形成了巨大的纏結態。
為了避免熱能所造成的無序運動,伊普利的團隊是在極低的溫度下做實驗——僅千分之幾K。不過,在那之後,巴西物理研究中心的狄紹薩(Alexandre Martins de Souza)等人以室溫或更高的溫度,在銅羧酸鹽之類的材料裡發現了巨觀纏結,自旋粒子間的交互作用強到可以抗拒熱能所造成的無序。在其他例子裡,則必須用外力抵擋熱效應。物理學家在越來越大、越來越高溫的系統裡看到纏結:從以電磁場捕獲的離子到晶格裡的超冷原子,再到超導量子位元(見下方〈纏結升溫中〉)。
這些系統就像薛丁格的貓。考慮一個原子或離子,其電子可能靠近或遠離原子核——或是既靠近又遠離。這種電子就像薛丁格的思想實驗裡可能衰變、也可能沒衰變的原子。不管電子在哪兒,這整個原子是可以向左或向右移動的,運動方向是左或右就像貓是死的或活的。物理學家以雷射操控原子,可以將這兩種性質連上關係。如果電子靠近原子核,就讓原子向左移動;如果電子遠離原子核,就讓原子向右移動。如此一來,電子的狀態就跟原子的移動纏結起來,如同原子衰變跟貓的狀態纏結起來一樣。同時既向左又向右移動的原子,可以模擬既死又活的貓。
許多其他的實驗也擴展這種基本概念,使大量的原子也可以纏結,進入古典物理不可能說明的狀態。如果體積大且高溫的固體可以纏結,則只要稍用想像力就可以問:又大又暖和的特殊系統——生命,也是如此嗎?