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量子力學隨機性被推翻﹖ 放心吧﹐上帝依然擲骰子

來源﹕科技日報2019-07-11 09:46

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  耶魯大學科學家通過一種高速攝影技術﹐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﹐並掀起一場關於量子力學是隨機性還是連續性的爭論。

  量子力學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”。量子力學的先驅們大都相信﹕量子躍遷是“隨機的﹑瞬時的” 。

  一項新的實驗表明﹐事實並非如此。該研究由耶魯大學麥克‧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﹐揭示了量子躍遷循序漸進的過程。這一成果近日發表在《自然》雜誌上。

  實驗的意義可能還遠不止於此﹕研究人員利用高速檢測系統﹐在即將標記出量子躍遷的時候﹐“抓住”它然後再逆轉﹐將系統恢復到初始狀態。

  如此一來﹐量子物理中不可避免的隨機過程﹐現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)是量子化的﹐也就是說﹐電子祗能使用某些能級﹐而所有中間能級都被禁止。他假設﹐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之間的能隙相匹配。這就解釋了為什麼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﹐而鈉燈則發出黃色的光。

  在玻爾和海森堡著手發展的一套能夠解釋量子現象的數學理論中﹐海森堡列舉了所有允許的量子態﹐暗示這些量子態之間的躍遷是瞬時的﹑不連續的。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﹐量子力學的另一位奠基人﹑奧地利物理學家埃爾溫‧薛定諤並不讚同這個觀點。在薛定諤的理論中﹐他用波函數的波狀實體來表示量子粒子﹐它們的變化是平緩的﹐隨著時間發生連續變化﹐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﹐不連續的量子躍遷祗是腦海中的一個幻想。在1952年發表的一篇題為“是否存在量子躍遷”的文章中﹐薛定諤堅定地回答﹕“不存在。”

  二者爭論的焦點不僅僅在於薛定諤喜不喜歡突然變化﹐而在於﹐玻爾等人的理論聲稱量子躍遷會隨機發生﹐但說不出為什麼就是那個特定時機。這就好像一個沒有原因的結果﹐無疑是對自然因果律的極大挑戰。

  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”態和“暗”態之間來回轉換﹐處在“亮”態時原子會發射一個光子﹐而“暗”態時則不會隨機發射光子﹔原子在其中某一個狀態下保持幾十分之一秒到幾秒的時間﹐然後再次發生躍遷。

  自此之後﹐人們又在不同的系統中觀測到了這樣的躍遷﹐有光子在不同量子態之間的轉換﹐也有固體材料原子在量子化的磁化狀態之間躍遷。2007年﹐法國的一個科研團隊報告發現了一種躍遷﹐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進行監測﹐誰也說不准什麼時候會發生躍遷﹐也沒有具體圖像顯示躍遷的樣子。

  捕獲量子躍遷

  耶魯大學的實驗不僅可以預測躍遷﹐甚至還可以逆轉躍遷

  耶魯大學的這個實驗具體是怎麼做的﹖

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

  論文的第一作者米涅夫說﹕“利用這個現象﹐不僅可以預測躍遷﹐甚至還可以逆轉躍遷。”

  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﹑可預測的方式從其隨機起始點發生。

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

  有科學家認為﹐這項研究可能還能應用於量子計算糾錯方面。不過﹐實驗結果的真正價值不在於任何實際應用上﹐而事關我們對量子力學體系的認識。

  薛定諤的貓如何得救

  通過正確的監測﹐可以觀測到一種預警信號並採取行動

  薛定諤的貓悖論﹐闡釋了量子物理中“疊加”的概念(即相反的兩種狀態可以同時存在)和不可預測性﹕一隻貓被放在一個密封的盒子中﹐盒子裡有一個放射源﹐還有一種毒藥。若放射性物質有一個原子發生衰變﹐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﹐即處於兩種狀態的疊加態。一旦打開盒子﹑觀察到了貓的死活﹐其量子態就會立即改變﹐變成“死”或“活”中的一種。

  耶魯大學的研究表明﹐量子躍遷時能夠觀測到一種預警信號﹐這就使得薛定諤那隻生死未卜的貓有救了。

  由於原子核的衰變是隨機事件﹐物理學家祗知道它衰變的幾率﹐無法知道它在什麼時候衰變。如果原子核衰變﹐放出阿爾法粒子﹐觸動電子開關﹐錘子落下﹐砸碎毒藥瓶﹐釋放出氰化物氣體﹐貓就會被毒死。

  如果物理學家不揭開密室的蓋子﹐則貓是死是活的狀態就不確定﹐處於一種既死又活的疊加態。祗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﹐這個技術也正是量子信息領域目前廣泛應用的“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﹐通過正確的監測﹐可以確定地發現即將來臨的災難預警﹐並在災難發生之前採取行動﹐在預測到原子核衰變的那一瞬間﹐移開毒藥瓶﹐於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。從長遠來看﹐它們是完全不可預測的。儘管如此﹐通過正確的監測﹐我們可以準確獲得即將發生的災難的預警﹐並在災害發生之前對其採取行動。”

  量子力學根基沒有受到影響

  論文裡明確說明實驗結果與量子力學理論符合得很好

  根據馮‧諾依曼的總結﹐量子力學有兩個基本的過程﹐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致的量子疊加態隨機塌縮。薛定諤方程是量子力學核心方程﹐它是確定性的﹐跟隨機性無關。那麼量子力學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。但無數的實驗證實﹐直接測量一個量子疊加態﹐它的結果就是隨機的。為瞭解決這個問題﹐誕生了量子力學多個詮釋﹐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﹐測量會導致量子態塌縮﹐即量子態瞬間被破壞﹐隨機跌到一個本征態上﹔多世界詮釋認為﹐每一次測量就是世界的一次分裂﹐所有本征態的結果都存在﹐祗是互相完全獨立﹐干擾不到對方﹐我們祗是隨機地在某一個世界當中﹔一致歷史詮釋引入了量子退相干過程﹐解決了從疊加態到經典概率分佈的問題。但是在選擇哪個經典概率上﹐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﹐這些詮釋預言了同樣的物理結果﹐相互之間不可證偽﹐那麼物理意義就是等價的﹐所以學術界還是主要採用哥本哈根詮釋﹐即用塌縮這個詞代表測量量子態的隨機性。

  “耶魯學者的實驗並沒有影響到量子力學的根基﹐即量子力學內在的不確定性。”李傳鋒表示﹐量子躍遷對於波函數本身來說是確定的﹐就像一個骰子﹐很確定它不可能擲出7點來一樣。波函數能夠計算出處於量子態的粒子概率雲是如何演化的﹐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。耶魯大學這次發現量子躍遷不僅需要時間﹐而且每次躍遷之前會發出一個預警信號。”李傳鋒說﹐這就好比說有個人要跳遠﹐但沒法去預測他什麼時間起跳﹐但在向前跳之前﹐他的身體會前傾﹐會抬起胳膊前後擺動﹐並且這兩件事之間存在確定的因果關係。祗要在他抬胳膊時馬上打他一下﹐他就不跳了。但是這個預警信號什麼時候出現仍然是概率性的﹐至於網上流傳的“推翻量子力學﹑推翻量子力學不確定性原理”之類﹐實驗當中根本就沒有涉及﹐況且論文裡明確說明實驗結果與量子力學理論符合得很好。吳長鋒

[ 責編﹕肖春芳 ]
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