万物皆量子？| 高瓴 Curiosity
The following article is from 原理 Author Stefan Forstner
导读：我们所处的世界浩瀚无垠，人类已知的知识不过沧海一粟，对生命、对宇宙、对未来的探索也一直在前进当中。而好奇作为人类进步的动力之一，也是高瓴人一直秉承的态度。“高瓴Curiosity”聚焦科学知识和硬科技动态，同你分享科学、科技领域最前沿的资讯。本期我们与您分享的话题是“量子”。量子意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”，量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。
20世纪30年代，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出了一个著名的思考实验——盒子里的一只猫。根据量子力学的理论，薛定谔的猫可以既是活的，又是死的。
在薛定谔的思想实验中，一只猫被放在一个密封的盒子里，这个盒子里有一个存在一半几率会杀死猫的随机量子事件。盒子里的这只猫既是死的又是活的，直到盒子被打开并被观察到。换句话说，在被观察到之前，猫是以（有多种可能性的）波函数的形式存在的。当它被观察到时，它才变成了一个确定的对象。
经过许多的争论之后，当时的科学界对哥本哈根诠释达成了共识。这基本上说的是，量子力学只能应用于原子和分子尺度，而无法描述更大的物体。
但在过去的二十年间，物理学家已经在大到肉眼可见的、由数万亿个原子组成的物体中创造出了量子态。不过，空间叠加却迟迟没有纳入其列。
但是，波函数是如何成为一个“真实”的物体的？这就是物理学家所说的“量子测量问题”。近一个世纪以来，它一直让科学家甚至哲学家困扰。
如果有一种机制能消除大尺度物体的量子叠加的可能性，那么波函数就会受到某种方式的“扰动”，从而产生热。如果能发现这种热，就意味着大尺度的量子叠加是不可能的。如果能排除这种热，那么就意味着自然可能并不介意在任何尺度上的“量子化”。
假如是后者，随着技术的进步，我们应当可以让大型的物体，甚至是有感知的生物，处于量子态中。
物理学家并不知道阻止了大尺度的量子叠加的机制是什么样的。一些科学家表示，这可能是一个未知的宇宙学领域，还有人则怀疑引力可能与此有关。今年的诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）曾认为，生物意识或许与此密不可分。
在过去十数年间，物理学家一直在热切地寻找能表明波函数受到了扰动的微量的热。想要找到这种热，人们需要一种能够（尽可能完全）抑制其他所有过剩热源的方法，因为那些热源可能会妨碍精确测量。科学家还需要控制一种被称为量子“反作用”的效应，也就是由观察这一举动本身所产生的热。
在这项新的研究中，研究人员设计了一个实验，有望揭示空间叠加在大尺度物体上的可能性。迄今为止最好的实验都还没有完成这个目标。
和先前的实验一样，新设计的实验将需要用到一个被冷却到只比绝对零度高0.01开尔文的制冷器，但它将要使用比之前频率更高的谐振器，这样可以消除制冷器本身的热量问题。
在这种极低温度和极高频率的结合下，谐振器中的振动会经历玻色凝聚过程。你可以将其简单想象成谐振器被冻得非常牢固，以至于制冷器里的热完全无法左右它。新设计的实验还会使用到一种不同的测量策略，它并不关注谐振器的运动，而是看它有多少能量。这种方法也能很好地抑制反作用的热。
那么实验要如何进行呢？研究人员计划让单光子进入谐振器，并来回反弹数百万次，将所有剩余的能量都吸收。这些粒子最终会离开谐振器并带走多余的能量。通过测量光子的能量，研究人员就可以确定谐振器中是否存在热量。
如果存在热量，就表明波函数已经受到了某种（不受研究人员控制的）未知来源的干扰。这就意味着，大尺度的叠加不可能发生。