薛定愕猫与量子测量

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1、维普资讯http://www.cqvip.com22卷第lO期物理教学V0l22N0．1O2000年1O月PHYS1CSTEACHING0ct．2000薛定愕猫与量子测量——兼谈量子信息的发展孙昌璞(中国科学院理论物理研究所北京100080)在20世纪科学发展中，以量子力学为代表+AB1的基本物理学理论不仅在认识客观物质世界方描述了底屏上粒子数密度分布，后两项代表干面发挥了根本性的奠基作用，而且导致了一系涉效应。对于较小的或结构简单的粒子，如电列重大的高新技术变革，深刻地影响人类社会子和中子，人们不仅在实验上已观察到干涉现的物质生活。然而，自本世纪二十年代量子力象和

2、衍射图样，而且基于这个原理，成功地制备学建立以来，人们对其中的基本问题的激烈争了现代测量技术必不可少的电子显微镜和中子论却从未停止过。量子理论的开创者之一、丹干涉仪。麦物理学家尼尔斯·玻尔曾风趣地说：“任何能思考量子力学而又没有被搞得头晕目眩的人都没有真正理解量子力学。”众所周知，物质在微观尺度上表现出完全不同于经典运动的量子行为，与经典物理的图象和人们的日常经验有很大区别，量子理论成图l实物粒子的物质波干涉功地描述了这类诸如原子光谱和黑体辐射的非考虑到日常所见中的宏观物体是由大量服经典现象。根据量子理论的波粒二象性学说，从量子力学规律的微观粒子组成的，人们自然实物

3、微观粒子运动会象光波、水波一样，具有传要问：由具有波粒二象性的微观粒子组成的宏播，干涉和衍射的波动行为，形成物质波(或称观物体是否也具有这种量子特性?通过这样问德布罗意波)。由于这种量子特性，描述微观体题的提问，1935年薛定愕提出了对量子力学哥系的状态不再是用位置和动量，而是用一个决本哈根解释的著名挑战，即所谓“薛定愕猫佯定粒子出现几率的波函数。这就导致了所谓的谬”：“态相干叠加原理：一只猫关在一个钢盒内，盒中有下述极残如果和，是物理体系的两个可能状忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干态，则=A1+B，也代表物理体系一个可扰)：在盖革计数器中有一小块辐射物质，它

4、非能状态：体系随机地即处在上，又处在2常小，或许在1小时内只有一个原子衰变。在上，相应的几率分别为J=lAl和J，=lBl。相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发如图1，笼统地用】和2分别代表通过生衰变，计数管便放电，并通过继电器释放一缝1和缝2的波函数，则根据态相干叠加原理，锤，击碎一个小的氢氰酸瓶。如果人们使这整叠加态给出了如图1所示的实物粒子的物个系统自己存在1个小时，那么人们会说，如果质波干涉现象，在期间没有原子衰变，这猫就是活的。而第一Jl2=ll=J1+J2+AB2次原子衰变必定会毒杀了猫”。·2·维普资讯http://www.cqvip.com我们心

5、里十分清楚，在日常生活里，那只猫非死体系的状态在测量前后不发生变化。而在量子即活，两者必居其一。可是，按照量子力学规力学的测量理论中，测量仪器与被测系统的相则，盒内整个系统处于两种态的叠加之中。互作用，一般会本质地改变体系的状态，引起波包塌缩。图3显示了中子干涉问题中相干性破坏的问题：一旦通过测量发现中子是沿着哪条路径到达屏，干涉条纹将不复存在了。这种由其中第一分量意味着死猫与原子嬗变态le>于测量或其它影响导致相干性消失的现象称之的关联；第二分量意味着活猫与原子稳态lg>为量子退相干(Quantumdecoherence)。对这种的关联(如图2)。这样的关联状态就

6、是所谓的现象的初步解释是应用海森保的测不准关系：量子纠缠态。准确知道粒子通过路径A意味着在垂直于A的方向上完全确定粒子的位置，由测不准原理得知这个测量将对垂直于路径A方向上的动量产生一定的扰动，从而干扰到达屏S上粒子的位置，造成干涉条纹的模糊。n—二======I===／=J／

7、·t／＼——{，_一y——图2作为量子纠缠态的“弹定愕猫”田＼按照冯·诺意曼的推理，在这样的纠缠态上，直由到某人窥视盒内看个究竟以前，不幸的猫继续图3有效测量破坏量子相干性处于一种悬而未决的死活叠加的状态之中。一稍加仔细考察就不难发现，干涉条纹消失个非活非死、又活又死的猫，是什么意思呢?理的

8、现象确实联系于量子力学测量的基本问题：论上，猫自己还是知道是活还是死的。但根据对于微观粒子运动状态的有效测量，必将在可量子测量的哥本哈根解释，处在这种怪态上，猫观测的意义上使粒子原来的运动产生不可逆的的生死不依赖打开盒子前的“客观存在”，而是改变。在双缝干涉实验中，如果测量粒子通过决定于打开盒子后的“观察”。看上去这个推论是不合理的，因而称之为“薛定愕猫佯谬”。了哪一个缝，便强调了波粒二象性的粒子特性，试图在量子力学本身的框架下解决这一矛与粒子性互补的波动性便被排斥了，干涉条纹盾，首先要意识到“薛定愕猫”的物理本质是考便不再存在了。以上关于干涉条纹消失的讨论察是