「薛丁格的貓」與量子力學 - 賈許‧薩馬尼

完整課程請上：http://ed.ted.com/lessons/what-can-schrodinger-s-cat-teach-us-about-quantum-mechanics-josh-samani

我們每天接觸到的「古典物理學」宏觀世界，和由「量子力學」主宰的微觀（例如原子）世界是非常不同的。其中一個關於量子力學弔詭的例子，是有名的「薛丁格的貓」想像實驗。賈許‧薩馬尼將為我們介紹這個充滿「量子糾纏」的實驗。

課程內容：賈許‧薩馬尼；動畫製作：丹‧平托。

把一顆球直直往上拋，

你知道球會往哪邊跑嗎？

當然，太簡單了！

球向上到達一定高度後，

會垂直落下，
回到你的手中。

沒錯吧，
就這麼簡單，

你想必在日常生活中
已經看過無數次了。

你從出生到現在，
每天都在觀察周遭的物理現象。

但當我們想到原子物理的問題時，

比如氫原子的電子怎麼運動？

我們還能用日常所見來回答嗎？

不行吧，怎麼說？

因為物理系統
在這麼微小的世界裡，

和在構成我們日常生活經驗的

宏觀世界是非常不同的。

你所知而深愛的周遭，

主要是「古典力學」的範疇；

而在原子的世界裡，

則要靠「量子力學」來解釋。

量子的世界是非常詭異的。

有一個有名的例子
可以形容量子世界有多詭異：

「薛丁格的貓」。

一名不太喜歡貓的物理學家，
把貓放進一個箱子裡，

裡面還有一顆炸彈，
有50%的機率在封箱後爆炸。

除非我們打開箱子，

不然不會知道炸彈有沒有爆炸。

所以我們也不知道貓是死是活。

在量子力學中，

我們會說在開箱以前，

貓咪處於「疊加狀態」；

牠既不是生也不是死，

而是兩種可能的混合，

各佔50%的機率。

這樣的假設也在
量子力學的世界裡，

例如繞著氫原子轉的電子。

電子其實沒有特定軌道，

比較像是繞著原子核亂飛。

所以有機會出現在不同地方，

除非我們實際測量電子所在，

才能確定某個時點的電子在哪。

就像我們不知道貓的死活，

除非我們打開箱子。

這讓我們進入
一個怪異又美麗的現象

--「量子糾纏」。

假設現在不只一隻貓在箱子裡，
而是有兩隻貓在不同箱子。

如果用這兩隻貓重複
「薛丁格的貓」實驗，

可能會有四種不同結果。

可能兩隻貓都活著，
或是兩隻貓都死了，

又或是某一隻活著
但另一隻死了。

所以又再次進入「疊加狀態」，

每種結果的機率變成25%，
而不是50%。

但有趣的來了：

量子力學跟我們說，

兩隻貓同時活下來
或死去是不可能的。

也就是說只剩兩種可能，

只會是某隻貓活著，
然後另一隻死掉。

這種現象的專有名詞，
是兩隻貓的狀態「糾纏」。

但「量子糾纏」有一個
很神奇的部分：

如果你準備了互相糾纏的
兩隻貓在箱子裡，

把箱子丟到宇宙的兩端，

實驗的結果還是會一樣。

一定是其中一隻貓活著，
另一隻會死掉，

只是在我們看到結果前，

不知道是哪隻活、哪隻死。

這怎麼可能呢？

為什麼兩隻相隔如此遙遠的貓，

還會這樣糾纏呢？

它們的距離那麼遠
根本不能套招，

所以炸彈到底怎麼能

每次都約好一個爆、
一個不爆呢？

你可能會說，

「這只是理論上來說啦，

真實世界又不會照著演！」

但實際上「量子糾纏」

已經被實驗證明了。

兩個疊加狀態下的「次原子粒子」，

如果其中一顆朝特定方向轉，
另一顆就會朝反方向轉。

結果一定會這樣，
儘管兩顆粒子之間

不可能溝通或傳遞訊息，

代表它們的轉向
完全由「量子糾纏」來決定。

「量子糾纏」因此
毫不意外地變成

「量子資訊學」的核心，

研究如何將量子世界的特殊性，

應用到現實生活的新興領域。

比如說「量子密碼學」研究讓間諜
更隱密地互相傳送訊息，

或是用「量子計算」破解密碼。

我們的日常生活開始往
量子物理的領域發展。

「量子遙傳」再繼續發展下去，

也許有一天你的貓
可以去到更安全的星系，

一個沒有物理學家
和箱子的地方。