你一定听说过薛定谔的猫,它是著名物理学家埃尔温 · 薛定谔在 1935 年提出的一个思想尝试:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变要看概率,如果镭爆发衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死。如果镭不爆发衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状况的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状况。这只既死又活的猫就是所谓「薛定谔猫」。
但是常识告诉你,不可能生存既死又活的猫,观测者必要在打开容器后才知道结果。该尝试试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的成绩,把微观物质在观测后是粒子还是波的生存形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的生存形式。随着量子物理学的发展,薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理成绩和哲学争议。「我不喜欢它,很抱歉与它产生了联系,」据说物理学家薛定谔在谈论量子理论时说过这样的话。
奥地利物理学者埃尔温 · 薛定谔(Erwin Schrödinger, 1887 年 8 月 12 日~1961 年 1 月 4 日),1933 年诺贝尔物理学奖获得者。有多讨厌呢?以至于他努力地用物理学中最著名的思想成绩来证明它是荒谬的,这个成绩波及将一只猫放在一个盒子里。根据该理论,只有在观察到的情况下才能说时空的分裂爆发了。否则,它必要被觉得是不确定的。由于猫的命运与原子的命运一致,薛定谔的猫也必要被觉得既不死也不活。纯属胡来,薛定谔总结道。然而,后来的钻研人员找到了将这一思维成绩转化为实际尝试的方法,这些方法实际上验证了量子理论的预测。一项尝试使用了一个险些冷却到绝对零度的谐振器,使其在两个量子态之间「胶葛」在了一起,无论是否振动。这两个状况后来显示为叠加态。实际上,生物的胶葛对于物理学家来说是一项壮举,对于生物化学家来说可能更是如此。复杂的化学零碎通常不会静止不动接受检查,但如果你能将它们冷冻到能展示出量子力学的温度,你就可以探测它们的组成部分。有些人觉得光合作用等生化过程必要波及到量子效应,这种方法可能是证明这一观点的好主意。把一种生物冷冻到绝对零度?这么想的话,候选者似乎就只有一个了——科普领域里的「网红」水熊虫。漫步植物是在险些完全真空的情况下,再冻结到极度温度仍有机会保持活力的理想候选者。
要胶葛一个生命形式,你必要把它放在一个极度的真空的环境中,并在不杀死它的情况下将它冷却到险些绝对零度。细菌就可以这样胶葛在一起。现在,一组科学家说他们缠住了一种水熊虫,这是一种肉眼险些看不见的小植物,大部分长度小于一毫米。11 位钻研人员于 12 月 16 日于在线预印版论文网站 arXiv 上提交了他们的工作。其中包括新加坡国立大学量子技术中心的 Rainer Dumke 和波兰格但斯克大学的 Tomasz Paterek,他们在 2019 年因在磁化蟑螂方面的工作而荣获搞笑诺贝尔奖,其钻研波及植物导航的方法。
论文链接:https://arxiv.org/abs/2112.07978听起来有点不正经?但记录表明,至少有一位搞笑诺贝尔奖的获得者安德烈 · 海姆 (Andre Geim) 获得过真正的诺贝尔奖。他因为悬浮青蛙而获得了 2000 年的搞笑诺贝尔奖,2010 年又因为发现石墨烯而获得过诺贝尔物理学奖。漫步植物对于环境的忍耐力险些和微生物一样强,当你将其置于极度环境时,它通过蜷缩成一个叫做「tun」的球进入休眠状况,这个过程被称为「隐生」(Cryptobiosis)。水熊虫具有全部四种隐生性,即低湿隐生、低温隐生、变渗隐生及缺氧隐生,能够在恶劣环境下停止所有新陈代谢。漫步植物也因此被觉得是生命力最强的植物。在隐生时,其一般可以在高温(151°C)、接近绝对零度(最低 – 272.8°C)、高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。曾经有漫步植物隐生超过 120 年的记录。
听起来就像是脱水的三体人。尽管有些人觉得隐生时至少某些新陈代谢必要继续进行,但这最好的描述可能是一种被搁置的生命。2019 年,当以色列首个登月航天器「创世纪」意外坠毁,一群漫步植物沉积在月球上时,许多人猜测这些小植物即使在那里也能幸存下来。遗憾的是,后来波及发射尼龙子弹的冲击尝试表明这种事并不会爆发。Dumke 和他的同事们对钻研超导量子比特的过程产生了兴趣,许多人希望这种电子振荡器能够生产出基于量子效应的全新计算机。他们想知道如果将休眠的漫步植物放在一个量子比特上,使零碎接近绝对零度会爆发什么。首先,他们了解到,即使这样漫步植物也幸存了下来。这本身就是一个重要的发现。「在这样的极度低温条件下,险些没有任何东西在移动,一切都处于基态(所有原子的振动都会停止)。植物就是一粒灰尘,」Dumke 告诉 IEEE Spectrum。「将它恢复到可以生存的条件,缓慢地增加温度和压力,然后它就会恢复过来。有人觉得,在密码生物学(cryptobiological )状况下,一些新陈代谢正在进行。不是这样。」这一发现提出了一个成绩:是什么自然选择的力量能让漫步植物变得如此坚韧? 它似乎对其正常的陆地栖息地(包括苔藓和地衣)进行了过度设计。另外,Dumke 等人觉得,他们在量子比特和漫步植物之间实现了真正的量子胶葛。更大的物体被如此胶葛在一起,但那些物体是无生命的物质。这是一个更大胆的主张——而且更难以被人相信。「我们从能量状况为 0 的超导量子比特开始,类似于基态的原子。没有振荡——什么都没有爆发,」Dumke 说。 「我们可以使用微波在适当的时间内提供适当数量的能量,以将其提高到 1 级。这就像原子中电子的第二个轨道。现在震荡开始了。」「再或者,这是重要的一点,我们可以添加那么多的能量,但只用一半的时间就可以将零碎提升到 1/2 的量子态,也就是叠加态。 在这种状况下,零碎同时振荡又不振荡。你可以进行广泛的测试来丈量所有三种状况。」然后钻研者在许多不同的条件下测试零碎以确定量子态,他们发现由量子比特和漫步植物组成的零碎占据的能量状况比任何一个单独占据的都低。钻研人员得出结论:二者已经胶葛在一起。然而,几天后涌现出一些对于该钻研的批评声。一位物理学家出身的评论者 Ben Benbruker 在 Twitter 上辩称:这些尝试并未证明作者所声称的内容。他觉得有三种可能:
用整个水熊虫实现了量子胶葛;
用水熊虫的一部分实现了量子胶葛;
根本没有实现量子胶葛。
最后一种情况意味着任何影响都是由一些经典物理(非量子)过程引起的。该钻研的钻研者也承认他们无法进行完美的尝试,因为那要波及使用两个探针独立丈量漫步植物和量子比特。而该钻研的漫步植物与量子比特封装在一起,形成一个混合结构,因此很难独立控制两个探针。
尝试草图另一位钻研者、牛津大学物理学教授 Vlatko Vedral 说:「你必要构建一个模型,将量子比特表示为一个量子力学零碎。如果你按照经典方式进行尝试,将无法解释所有的特征。这些特征是组合零碎能够达到的量子能量态。事实上,大部分化学物质都基于这种范德华力。」论文一作 Kai Sheng Lee 称:「论文在介绍第二个量子比特时,对上述关于量子胶葛的质疑给出了部分回答。」水熊虫旁边两个超导量子比特的生存加强了胶葛生存的理由,因为在这里似乎生存一个处于 0 状况的量子比特(|0>)与另一个处于 1 状况(|1>)的量子比特叠加。然而,Vedral 也承认主要的弱点是「没有对漫步植物进行直接丈量。」可以直接丈量这个胶葛三角形中的每个部分吗?Dumke 尝试之后表示:「可以尝试在漫步植物内部找到一个特定的共振频率,然后使用这个频率来找出导致更强胶葛的原因。」Vendral 则提议:「也许可以通过基因改造水熊虫来产生共振。 」要不要人为设计出这样的生物呢?也许他们正在考虑这个成绩,也许他们在想这样做值不值得。或许这也是一种叠加态。参考原文:https://spectrum.ieee.org/schrodingers-tardigrade
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