耶魯大學(xué)科學(xué)家通過(guò)一種高速攝影技術(shù)，揭示了量子躍遷循序漸進(jìn)的過(guò)程。量子躍遷再次成為流行語(yǔ)，并掀起一場(chǎng)關(guān)于量子力學(xué)是隨機(jī)性還是連續(xù)性的爭(zhēng)論。

量子力學(xué)作為理解原子尺度世界的理論，其中有一個(gè)核心概念極為激進(jìn)大膽又反直覺(jué)，甚至成為了流行語(yǔ)，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(jī)的、瞬時(shí)的” 。

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

實(shí)驗(yàn)的意義可能還遠(yuǎn)不止于此：研究人員利用高速檢測(cè)系統(tǒng)，在即將標(biāo)記出量子躍遷的時(shí)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(lái)，量子物理中不可避免的隨機(jī)過(guò)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(zhēng)

與玻爾和海森堡的量子理論不同，薛定諤認(rèn)為不存在量子躍遷

上世紀(jì)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(jì)80年代才在實(shí)驗(yàn)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(shí)候就提出，原子中電子的能級(jí)(即能量狀態(tài))是量子化的，也就是說(shuō)，電子只能使用某些能級(jí)，而所有中間能級(jí)都被禁止。他假設(shè)，電子通過(guò)吸收或者釋放光量子顆粒即光子來(lái)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(zhǎng)的光，比如許多含銅鹽是藍(lán)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(shí)的、不連續(xù)的。瞬時(shí)量子躍遷的概念，成為了哥本哈根詮釋的一個(gè)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(gè)觀點(diǎn)。在薛定諤的理論中，他用波函數(shù)的波狀實(shí)體來(lái)表示量子粒子，它們的變化是平緩的，隨著時(shí)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(rèn)為，真實(shí)世界中的事物不會(huì)不花一點(diǎn)兒時(shí)間就突然大變樣，不連續(xù)的量子躍遷只是腦海中的一個(gè)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(jiān)定地回答：“不存在。”

二者爭(zhēng)論的焦點(diǎn)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(huì)隨機(jī)發(fā)生，但說(shuō)不出為什么就是那個(gè)特定時(shí)機(jī)。這就好像一個(gè)沒(méi)有原因的結(jié)果，無(wú)疑是對(duì)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(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告，他們?cè)谑茈姶艌?chǎng)作用下懸浮的單個(gè)原子中觀察到了量子躍遷：原子在“亮”態(tài)和“暗”態(tài)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，處在“亮”態(tài)時(shí)原子會(huì)發(fā)射一個(gè)光子，而“暗”態(tài)時(shí)則不會(huì)隨機(jī)發(fā)射光子;原子在其中某一個(gè)狀態(tài)下保持幾十分之一秒到幾秒的時(shí)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(cè)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(guó)的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)報(bào)告發(fā)現(xiàn)了一種躍遷，符合他們所描述的“單個(gè)光子從出生、活躍到死亡”的過(guò)程。

在這些實(shí)驗(yàn)中，躍遷看上去確實(shí)是突然又隨機(jī)的，因?yàn)榧词箤?duì)量子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)什么時(shí)候會(huì)發(fā)生躍遷，也沒(méi)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(shí)驗(yàn)不僅可以預(yù)測(cè)躍遷，甚至還可以逆轉(zhuǎn)躍遷

耶魯大學(xué)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)具體是怎么做的?

大致說(shuō)來(lái)，他們使用一種特殊方法間接監(jiān)測(cè)超導(dǎo)人造原子，也就是用三臺(tái)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(kāi)發(fā)的雙重間接監(jiān)測(cè)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(huì)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(hào)。

論文的第一作者米涅夫說(shuō)：“利用這個(gè)現(xiàn)象，不僅可以預(yù)測(cè)躍遷，甚至還可以逆轉(zhuǎn)躍遷。”

研究人員表示，雖然從長(zhǎng)期來(lái)看，量子躍遷是離散的和隨機(jī)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(jī);躍遷總是以相同的、可預(yù)測(cè)的方式從其隨機(jī)起始點(diǎn)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(shí)被稱作“人造原子”，因?yàn)樗鼈兙哂须x散的量子能態(tài)，類似于真實(shí)原子中的電子態(tài)。能態(tài)之間的躍遷可以通過(guò)吸收或者釋放一個(gè)光子誘導(dǎo)出來(lái)，就跟原子中的電子躍遷一樣。

有科學(xué)家認(rèn)為，這項(xiàng)研究可能還能應(yīng)用于量子計(jì)算糾錯(cuò)方面。不過(guò)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真正價(jià)值不在于任何實(shí)際應(yīng)用上，而事關(guān)我們對(duì)量子力學(xué)體系的認(rèn)識(shí)。

薛定諤的貓如何得救

通過(guò)正確的監(jiān)測(cè)，可以觀測(cè)到一種預(yù)警信號(hào)并采取行動(dòng)

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(shí)存在)和不可預(yù)測(cè)性：一只貓被放在一個(gè)密封的盒子中，盒子里有一個(gè)放射源，還有一種毒藥。若放射性物質(zhì)有一個(gè)原子發(fā)生衰變，就會(huì)釋放毒藥。量子物理的疊加理論認(rèn)為，在有人打開(kāi)這個(gè)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(kāi)盒子、觀察到了貓的死活，其量子態(tài)就會(huì)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(shí)能夠觀測(cè)到一種預(yù)警信號(hào)，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(jī)事件，物理學(xué)家只知道它衰變的幾率，無(wú)法知道它在什么時(shí)候衰變。如果原子核衰變，放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出氰化物氣體，貓就會(huì)被毒死。

如果物理學(xué)家不揭開(kāi)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(kāi)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(shí)驗(yàn)中使用的是一種間接的觀察方式，這個(gè)技術(shù)也正是量子信息領(lǐng)域目前廣泛應(yīng)用的“弱測(cè)量”方法，不會(huì)擾動(dòng)被觀察對(duì)象。研究人員認(rèn)為，一個(gè)粒子的躍遷，既不像之前認(rèn)為的那樣突然，也不像之前認(rèn)為的那樣隨機(jī)，量子態(tài)的演化在一定程度上具有確定性而非隨機(jī)性。理論上，通過(guò)正確的監(jiān)測(cè)，可以確定地發(fā)現(xiàn)即將來(lái)臨的災(zāi)難預(yù)警，并在災(zāi)難發(fā)生之前采取行動(dòng)，在預(yù)測(cè)到原子核衰變的那一瞬間，移開(kāi)毒藥瓶，于是薛定諤的貓得救了。米涅夫說(shuō)：“原子的量子躍遷有點(diǎn)類似于火山噴發(fā)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它們是完全不可預(yù)測(cè)的。盡管如此，通過(guò)正確的監(jiān)測(cè)，我們可以準(zhǔn)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(duì)其采取行動(dòng)。”

量子力學(xué)根基沒(méi)有受到影響

論文里明確說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(gè)基本的過(guò)程，一個(gè)是按照薛定諤方程確定性地演化，另一個(gè)是因?yàn)闇y(cè)量導(dǎo)致的量子疊加態(tài)隨機(jī)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(jī)性無(wú)關(guān)。那么量子力學(xué)的隨機(jī)性只來(lái)自于測(cè)量。

這個(gè)測(cè)量隨機(jī)性正是讓愛(ài)因斯坦無(wú)法理解的地方，他用了“上帝不會(huì)擲骰子”這個(gè)比喻來(lái)反對(duì)測(cè)量隨機(jī)性。但無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，直接測(cè)量一個(gè)量子疊加態(tài)，它的結(jié)果就是隨機(jī)的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，誕生了量子力學(xué)多個(gè)詮釋，其中主流的三個(gè)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(rèn)為，測(cè)量會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)塌縮，即量子態(tài)瞬間被破壞，隨機(jī)跌到一個(gè)本征態(tài)上;多世界詮釋認(rèn)為，每一次測(cè)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(dú)立，干擾不到對(duì)方，我們只是隨機(jī)地在某一個(gè)世界當(dāng)中;一致歷史詮釋引入了量子退相干過(guò)程，解決了從疊加態(tài)到經(jīng)典概率分布的問(wèn)題。但是在選擇哪個(gè)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(zhēng)論。

中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授告訴科技日?qǐng)?bào)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(jià)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(gè)詞代表測(cè)量量子態(tài)的隨機(jī)性。

“耶魯學(xué)者的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)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(duì)于波函數(shù)本身來(lái)說(shuō)是確定的，就像一個(gè)骰子，很確定它不可能擲出7點(diǎn)來(lái)一樣。波函數(shù)能夠計(jì)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(cè)量問(wèn)題，薛定諤方程就解決不了，唯一的辦法就是計(jì)算粒子的概率，如位置概率、動(dòng)量概率等等。

“事實(shí)上，早在1986年就有研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，量子躍遷需要時(shí)間。耶魯大學(xué)這次發(fā)現(xiàn)量子躍遷不僅需要時(shí)間，而且每次躍遷之前會(huì)發(fā)出一個(gè)預(yù)警信號(hào)。”李傳鋒說(shuō)，這就好比說(shuō)有個(gè)人要跳遠(yuǎn)，但沒(méi)法去預(yù)測(cè)他什么時(shí)間起跳，但在向前跳之前，他的身體會(huì)前傾，會(huì)抬起胳膊前后擺動(dòng)，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(shí)馬上打他一下，他就不跳了。但是這個(gè)預(yù)警信號(hào)什么時(shí)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(shí)驗(yàn)當(dāng)中根本就沒(méi)有涉及，況且論文里明確說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子力學(xué)理論符合得很好。

關(guān)鍵詞： 量子 隨機(jī)過(guò)程 躍遷