量子力學(xué)隨機性被推翻？ 真相來了

流量為王的時代，信息傳播速度越來越快，但也出現(xiàn)了很多不實消息被誤傳的情況。所以在獲取信息的時候，我們必須擦亮眼睛別被謠言洗腦。

耶魯大學(xué)科學(xué)家通過一種高速攝影技術(shù)，揭示了量子躍遷循序漸進的過程。量子躍遷再次成為流行語，并掀起一場關(guān)于量子力學(xué)是隨機性還是連續(xù)性的爭論。

量子力學(xué)作為理解原子尺度世界的理論，其中有一個核心概念極為激進大膽又反直覺，甚至成為了流行語，那就是“量子躍遷”。量子力學(xué)的先驅(qū)們大都相信：量子躍遷是“隨機的、瞬時的” 。

一項新的實驗表明，事實并非如此。該研究由耶魯大學(xué)麥克·德沃雷特實驗室的研究生茲拉特科·米涅夫等完成，他與同事通過一種高速攝影技術(shù)，揭示了量子躍遷循序漸進的過程。這一成果近日發(fā)表在《自然》雜志上。

實驗的意義可能還遠不止于此：研究人員利用高速檢測系統(tǒng)，在即將標記出量子躍遷的時候，“抓住”它然后再逆轉(zhuǎn)，將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

如此一來，量子物理中不可避免的隨機過程，現(xiàn)在被證明是可以控制的——人們真的能夠掌控量子了？

量子躍遷之爭

與玻爾和海森堡的量子理論不同，薛定諤認為不存在量子躍遷

上世紀20年代中期，物理學(xué)家尼爾斯·玻爾、維爾納·海森堡和同事們建立了量子理論，玻爾首先提出了量子躍遷的概念，但直到上世紀80年代才在實驗室中被觀察到。這套理論統(tǒng)稱為哥本哈根詮釋。

玻爾在早些時候就提出，原子中電子的能級（即能量狀態(tài)）是量子化的，也就是說，電子只能使用某些能級，而所有中間能級都被禁止。他假設(shè)，電子通過吸收或者釋放光量子顆粒即光子來改變自己的能量，而光子的能量，與允許存在的電子態(tài)之間的能隙相匹配。這就解釋了為什么原子和分子能夠吸收或釋放特定波長的光，比如許多含銅鹽是藍色的，而鈉燈則發(fā)出黃色的光。

在玻爾和海森堡著手發(fā)展的一套能夠解釋量子現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論中，海森堡列舉了所有允許的量子態(tài)，暗示這些量子態(tài)之間的躍遷是瞬時的、不連續(xù)的。瞬時量子躍遷的概念，成為了哥本哈根詮釋的一個基本理念。

但是，量子力學(xué)的另一位奠基人、奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤并不贊同這個觀點。在薛定諤的理論中，他用波函數(shù)的波狀實體來表示量子粒子，它們的變化是平緩的，隨著時間發(fā)生連續(xù)變化，好比廣闊海面上平緩的波浪一般。

薛定諤認為，真實世界中的事物不會不花一點兒時間就突然大變樣，不連續(xù)的量子躍遷只是腦海中的一個幻想。在1952年發(fā)表的一篇題為“是否存在量子躍遷”的文章中，薛定諤堅定地回答：“不存在?！?p>二者爭論的焦點不僅僅在于薛定諤喜不喜歡突然變化，而在于，玻爾等人的理論聲稱量子躍遷會隨機發(fā)生，但說不出為什么就是那個特定時機。這就好像一個沒有原因的結(jié)果，無疑是對自然因果律的極大挑戰(zhàn)。

為了深入探究，人們需要觀察到單次的量子躍遷。1986年，三個國際研究團隊報告，他們在受電磁場作用下懸浮的單個原子中觀察到了量子躍遷：原子在“亮”態(tài)和“暗”態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，處在“亮”態(tài)時原子會發(fā)射一個光子，而“暗”態(tài)時則不會隨機發(fā)射光子；原子在其中某一個狀態(tài)下保持幾十分之一秒到幾秒的時間，然后再次發(fā)生躍遷。

自此之后，人們又在不同的系統(tǒng)中觀測到了這樣的躍遷，有光子在不同量子態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，也有固體材料原子在量子化的磁化狀態(tài)之間躍遷。2007年，法國的一個科研團隊報告發(fā)現(xiàn)了一種躍遷，符合他們所描述的“單個光子從出生、活躍到死亡”的過程。

在這些實驗中，躍遷看上去確實是突然又隨機的，因為即使對量子系統(tǒng)進行監(jiān)測，誰也說不準什么時候會發(fā)生躍遷，也沒有具體圖像顯示躍遷的樣子。

捕獲量子躍遷

耶魯大學(xué)的實驗不僅可以預(yù)測躍遷，甚至還可以逆轉(zhuǎn)躍遷

耶魯大學(xué)的這個實驗具體是怎么做的？

大致說來，他們使用一種特殊方法間接監(jiān)測超導(dǎo)人造原子，也就是用三臺微波發(fā)生器照射著封閉在鋁制三維腔體內(nèi)的原子，這種為超導(dǎo)電路開發(fā)的雙重間接監(jiān)測方法可以使研究人員能夠以前所未有的效率觀察原子。他們發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)量子躍遷發(fā)生前，都會發(fā)生一種微小的光子消失現(xiàn)象，這可以被當(dāng)做是一種預(yù)警信號。

論文的第一作者米涅夫說：“利用這個現(xiàn)象，不僅可以預(yù)測躍遷，甚至還可以逆轉(zhuǎn)躍遷?！?p>研究人員表示，雖然從長期來看，量子躍遷是離散的和隨機的，但阻止量子躍遷意味著量子態(tài)的演化一定程度上具有了確定性，而非完全隨機；躍遷總是以相同的、可預(yù)測的方式從其隨機起始點發(fā)生。

研究人員使用的量子系統(tǒng)要比原子大得多，由超導(dǎo)材料制成的線纜構(gòu)成，有時被稱作“人造原子”，因為它們具有離散的量子能態(tài)，類似于真實原子中的電子態(tài)。能態(tài)之間的躍遷可以通過吸收或者釋放一個光子誘導(dǎo)出來，就跟原子中的電子躍遷一樣。

有科學(xué)家認為，這項研究可能還能應(yīng)用于量子計算糾錯方面。不過，實驗結(jié)果的真正價值不在于任何實際應(yīng)用上，而事關(guān)我們對量子力學(xué)體系的認識。

薛定諤的貓如何得救

通過正確的監(jiān)測，可以觀測到一種預(yù)警信號并采取行動

薛定諤的貓悖論，闡釋了量子物理中“疊加”的概念（即相反的兩種狀態(tài)可以同時存在）和不可預(yù)測性：一只貓被放在一個密封的盒子中，盒子里有一個放射源，還有一種毒藥。若放射性物質(zhì)有一個原子發(fā)生衰變，就會釋放毒藥。量子物理的疊加理論認為，在有人打開這個盒子之前，其中的貓既是活的，又是死的，即處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。一旦打開盒子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)就會立即改變，變成“死”或“活”中的一種。

耶魯大學(xué)的研究表明，量子躍遷時能夠觀測到一種預(yù)警信號，這就使得薛定諤那只生死未卜的貓有救了。

由于原子核的衰變是隨機事件，物理學(xué)家只知道它衰變的幾率，無法知道它在什么時候衰變。如果原子核衰變，放出阿爾法粒子，觸動電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出氰化物氣體，貓就會被毒死。

如果物理學(xué)家不揭開密室的蓋子，則貓是死是活的狀態(tài)就不確定，處于一種既死又活的疊加態(tài)。只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死還是活。這樣就使得微觀的不確定原理，變成了宏觀的不確定原理。

耶魯大學(xué)的研究人員在實驗中使用的是一種間接的觀察方式，這個技術(shù)也正是量子信息領(lǐng)域目前廣泛應(yīng)用的“弱測量”方法，不會擾動被觀察對象。研究人員認為，一個粒子的躍遷，既不像之前認為的那樣突然，也不像之前認為的那樣隨機，量子態(tài)的演化在一定程度上具有確定性而非隨機性。理論上，通過正確的監(jiān)測，可以確定地發(fā)現(xiàn)即將來臨的災(zāi)難預(yù)警，并在災(zāi)難發(fā)生之前采取行動，在預(yù)測到原子核衰變的那一瞬間，移開毒藥瓶，于是薛定諤的貓得救了。米涅夫說：“原子的量子躍遷有點類似于火山噴發(fā)。從長遠來看，它們是完全不可預(yù)測的。盡管如此，通過正確的監(jiān)測，我們可以準確獲得即將發(fā)生的災(zāi)難的預(yù)警，并在災(zāi)害發(fā)生之前對其采取行動。”

量子力學(xué)根基沒有受到影響

論文里明確說明實驗結(jié)果與量子力學(xué)理論符合得很好

根據(jù)馮·諾依曼的總結(jié)，量子力學(xué)有兩個基本的過程，一個是按照薛定諤方程確定性地演化，另一個是因為測量導(dǎo)致的量子疊加態(tài)隨機塌縮。薛定諤方程是量子力學(xué)核心方程，它是確定性的，跟隨機性無關(guān)。那么量子力學(xué)的隨機性只來自于測量。

這個測量隨機性正是讓愛因斯坦無法理解的地方，他用了“上帝不會擲骰子”這個比喻來反對測量隨機性。但無數(shù)的實驗證實，直接測量一個量子疊加態(tài)，它的結(jié)果就是隨機的。為了解決這個問題，誕生了量子力學(xué)多個詮釋，其中主流的三個詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

哥本哈根詮釋認為，測量會導(dǎo)致量子態(tài)塌縮，即量子態(tài)瞬間被破壞，隨機跌到一個本征態(tài)上；多世界詮釋認為，每一次測量就是世界的一次分裂，所有本征態(tài)的結(jié)果都存在，只是互相完全獨立，干擾不到對方，我們只是隨機地在某一個世界當(dāng)中；一致歷史詮釋引入了量子退相干過程，解決了從疊加態(tài)到經(jīng)典概率分布的問題。但是在選擇哪個經(jīng)典概率上，還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭論。

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室李傳鋒教授告訴科技日報記者，這些詮釋預(yù)言了同樣的物理結(jié)果，相互之間不可證偽，那么物理意義就是等價的，所以學(xué)術(shù)界還是主要采用哥本哈根詮釋，即用塌縮這個詞代表測量量子態(tài)的隨機性。

“耶魯學(xué)者的實驗并沒有影響到量子力學(xué)的根基，即量子力學(xué)內(nèi)在的不確定性。”李傳鋒表示，量子躍遷對于波函數(shù)本身來說是確定的，就像一個骰子，很確定它不可能擲出7點來一樣。波函數(shù)能夠計算出處于量子態(tài)的粒子概率云是如何演化的，但一旦涉及測量問題，薛定諤方程就解決不了，唯一的辦法就是計算粒子的概率，如位置概率、動量概率等等。

“事實上，早在1986年就有研究團隊通過實驗證實，量子躍遷需要時間。耶魯大學(xué)這次發(fā)現(xiàn)量子躍遷不僅需要時間，而且每次躍遷之前會發(fā)出一個預(yù)警信號?！崩顐麂h說，這就好比說有個人要跳遠，但沒法去預(yù)測他什么時間起跳，但在向前跳之前，他的身體會前傾，會抬起胳膊前后擺動，并且這兩件事之間存在確定的因果關(guān)系。只要在他抬胳膊時馬上打他一下，他就不跳了。但是這個預(yù)警信號什么時候出現(xiàn)仍然是概率性的，至于網(wǎng)上流傳的“推翻量子力學(xué)、推翻量子力學(xué)不確定性原理”之類，實驗當(dāng)中根本就沒有涉及，況且論文里明確說明實驗結(jié)果與量子力學(xué)理論符合得很好。（記者 吳長鋒）

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來源：中國互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合辟謠平臺