杀死“薛定谔猫”的，可能并非引力假说

这是量子理论中最古怪的原则之一：粒子可以同时存在于两个位置，但我们只能在这里或那里看到它。

在著名的 “薛定谔猫” 这一思想实验中，在实验者打开箱子观察内部情况之前，实验者无法确定箱子内的猫究竟是生是死，而猫的这种 “生死叠加态” 则会在实验者对箱子内部的情况进行观察后，坍缩为 “生” 或“死”这两种确定的状态。

根据量子力学，虽然像 “薛定谔的猫” 这样的事在微观世界里无时无刻不在发生着，但物理学家们对于 “究竟是什么导致一个事物的状态能从一种叠加态坍缩为一个确定的状态” 却至今也还没有答案。

物理学家曾提出一种引力假说来做出解释，但根据意大利格兰萨索国家实验室的一项研究，引力不太可能是量子坍缩的原因。

让我们从理论界一直存在的争议说起。对于叠加态坍缩，前面提到的 “观察论” 在各种大众解读中名气最高，它认为，人的观察导致被观察事物的叠加态发生坍缩；但物理学界曾普遍认为，“引力论”才是最有可能对此进行解释的一种理论，即认为导致粒子状态发生坍缩的主要原因是引力，而非实验者的“观察”。

引力论的理念最早由匈牙利物理学家 Károlyházy Frigyes 和 Lajos Diósi 于上世纪后半叶提出，认为任何事物的引力场都不受量子力学的限制，使得事物很难一直以 “叠加态” 的形式存在。

举例来说，假如一个粒子能以叠加态的形式同时存在于 A 点和 B 点，该粒子的引力场便也会以叠加态的形式同时存在于 A 点和 B 点，但引力场会因不能长时间承受这种叠加态为其带来的 “张力” 而率先坍缩，进而导致粒子的叠加态坍缩。

上世纪 80 年代，著名数学家罗杰 · 彭罗斯（Roger Penrose，牛津大学）正式将 “引力论” 用于解释量子物理中事物叠加态的坍缩，并因这种解释消除了 “坍缩是以人的观察为中心发生的” 这种可能，彻底将坍缩归为了物理内部的一个过程（无需人的主观意志参与），而被物理学界认为是“最有可能成功的解释之一”。

虽然该解释此前曾一直因 “无法被实验验证” 而饱受诟病，但根据一篇 9 月初发表在《自然 · 物理学》上的研究，Lajos Diósi 和其同事已经成功对该解释进行了初步的检验，结果认为 “引力论” 似乎并非造成粒子叠加态坍缩的主要原因。

研究借助的原理为，粒子所处的状态从叠加态坍缩为确定态时，粒子本身会发生 “随机性的” 转向，进而是包含其的热力学系统变热，而如果粒子本身带电，它就会在旋转时向外辐射出光子。另外，多个受同一引力场影响的粒子也会以同步的方式一起向外辐射光子，而如果实验能观测到的光子数与彭罗斯的理论预期相符，那粒子叠加态的坍缩就很有可能是由引力造成，而非其它因素。

实验中，研究人员将一个咖啡杯大小的锗晶体用作探测器，通过其与 X 射线和伽马射线的相互作用（产生电信号），从锗原子核中的质子中检索过量的 X 射线和伽马射线。用作探测器的锗晶体本身被铅包裹，埋在位于意大利中部的格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）地下 1.4 公里处，以使其免受外界（其它辐射源）干扰。

根据论文，研究者最终在 2014 年和 2015 年的两个月中观察到了总共 576 个光子，与自然发生的辐射所能产生的光子数量（506 个）相近。相比之下，彭罗斯的模型认为，如果引力是造成粒子状态坍缩的主要原因，我们应该能观测到约 7 万个辐射出的光子才对。

图 | 进行实验的格兰萨索国家实验室（来源：TOMMASO GUICCIARDINI/SCIENCE SOURCE）

论文作者之一、意大利国家核物理研究院 Cătălina Curceanu 表示，虽然实验本身并没有排除其它可能造成粒子状态坍缩的因素，只是对它们做了一些限制，但实验结果意味着引力很可能并非造成粒子状态坍缩的主要原因。

另外，在实际操作中，研究人员需要直接给定粒子的叠加态（而非自然产生的叠加态）才能检验结果。

南安普顿大学物理学家 Ivette Fuentes 说：“理论上，我们应该能制造出很多粒子共享的一个叠加态。”目前，Fuentes 的团队正致力于在接近绝对零度的环境中制备出包含 1 亿个钠原子的原子云。

尽管彭罗斯本人对 Fuentes 的研究颇感兴趣，但他认为他改进后的模型或许在可预见的未来仍然会保持 “不可被验证” 的状态，原因是即使粒子状态的坍缩真由引力造成，为了不违反热力学定律，这一过程也不会向外放热或放出辐射，导致其不可被探测。

罗格斯大学（Rutgers University）理论物理学家 Maaneli Derakhshani 认为，即使能被检测到，包括锗质子与电子间的相互作用在内的一些因素可能也会掩盖 “引力导致坍缩发生” 的信号。他说：“假如引力真是导致粒子叠加态发生坍缩的主要原因，那其背后所隐藏的机理应该也会远比彭罗斯的模型更为复杂才对。”