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量子力学随机性被推翻? 放心吧,上帝依然掷骰子

来源:科技日报2019-07-11 09:46

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  耶鲁大学科学家通过一种高速摄影技术,揭示了量子跃迁循序渐进的过程。量子跃迁再次成为流行语,并掀起一场关于量子力学是随机性还是连续性的争论。

  量子力学作为理解原子尺度世界的理论,其中有一个核心概念极为激进大胆又反直觉,甚至成为了流行语,那就是“量子跃迁”。量子力学的先驱们大都相信:量子跃迁是“随机的、瞬时的” 。

  一项新的实验表明,事实并非如此。该研究由耶鲁大学麦克·德沃雷特实验室的研究生兹拉特科·米涅夫等完成,他与同事通过一种高速摄影技术,揭示了量子跃迁循序渐进的过程。这一成果近日发表在《自然》杂志上。

  实验的意义可能还远不止于此:研究人员利用高速检测系统,在即将标记出量子跃迁的时候,“抓住”它然后再逆转,将系统恢复到初始状态。

  如此一来,量子物理中不可避免的随机过程,现在被证明是可以控制的——人们真的能够掌控量子了?

  量子跃迁之争

  与玻尔和海森堡的量子理论不同,薛定谔认为不存在量子跃迁

  上世纪20年代中期,物理学家尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和同事们建立了量子理论,玻尔首先提出了量子跃迁的概念,但直到上世纪80年代才在实验室中被观察到。这套理论统称为哥本哈根诠释。

  玻尔在早些时候就提出,原子中电子的能级(即能量状态)是量子化的,也就是说,电子只能使用某些能级,而所有中间能级都被禁止。他假设,电子通过吸收或者释放光量子颗粒即光子来改变自己的能量,而光子的能量,与允许存在的电子态之间的能隙相匹配。这就解释了为什么原子和分子能够吸收或释放特定波长的光,比如许多含铜盐是蓝色的,而钠灯则发出黄色的光。

  在玻尔和海森堡着手发展的一套能够解释量子现象的数学理论中,海森堡列举了所有允许的量子态,暗示这些量子态之间的跃迁是瞬时的、不连续的。瞬时量子跃迁的概念,成为了哥本哈根诠释的一个基本理念。

  但是,量子力学的另一位奠基人、奥地利物理学家埃尔温·薛定谔并不赞同这个观点。在薛定谔的理论中,他用波函数的波状实体来表示量子粒子,它们的变化是平缓的,随着时间发生连续变化,好比广阔海面上平缓的波浪一般。

  薛定谔认为,真实世界中的事物不会不花一点儿时间就突然大变样,不连续的量子跃迁只是脑海中的一个幻想。在1952年发表的一篇题为“是否存在量子跃迁”的文章中,薛定谔坚定地回答:“不存在。”

  二者争论的焦点不仅仅在于薛定谔喜不喜欢突然变化,而在于,玻尔等人的理论声称量子跃迁会随机发生,但说不出为什么就是那个特定时机。这就好像一个没有原因的结果,无疑是对自然因果律的极大挑战。

  为了深入探究,人们需要观察到单次的量子跃迁。1986年,三个国际研究团队报告,他们在受电磁场作用下悬浮的单个原子中观察到了量子跃迁:原子在“亮”态和“暗”态之间来回转换,处在“亮”态时原子会发射一个光子,而“暗”态时则不会随机发射光子;原子在其中某一个状态下保持几十分之一秒到几秒的时间,然后再次发生跃迁。

  自此之后,人们又在不同的系统中观测到了这样的跃迁,有光子在不同量子态之间的转换,也有固体材料原子在量子化的磁化状态之间跃迁。2007年,法国的一个科研团队报告发现了一种跃迁,符合他们所描述的“单个光子从出生、活跃到死亡”的过程。

  在这些实验中,跃迁看上去确实是突然又随机的,因为即使对量子系统进行监测,谁也说不准什么时候会发生跃迁,也没有具体图像显示跃迁的样子。

  捕获量子跃迁

  耶鲁大学的实验不仅可以预测跃迁,甚至还可以逆转跃迁

  耶鲁大学的这个实验具体是怎么做的?

  大致说来,他们使用一种特殊方法间接监测超导人造原子,也就是用三台微波发生器照射着封闭在铝制三维腔体内的原子,这种为超导电路开发的双重间接监测方法可以使研究人员能够以前所未有的效率观察原子。他们发现,每当量子跃迁发生前,都会发生一种微小的光子消失现象,这可以被当做是一种预警信号。

  论文的第一作者米涅夫说:“利用这个现象,不仅可以预测跃迁,甚至还可以逆转跃迁。”

  研究人员表示,虽然从长期来看,量子跃迁是离散的和随机的,但阻止量子跃迁意味着量子态的演化一定程度上具有了确定性,而非完全随机;跃迁总是以相同的、可预测的方式从其随机起始点发生。

  研究人员使用的量子系统要比原子大得多,由超导材料制成的线缆构成,有时被称作“人造原子”,因为它们具有离散的量子能态,类似于真实原子中的电子态。能态之间的跃迁可以通过吸收或者释放一个光子诱导出来,就跟原子中的电子跃迁一样。

  有科学家认为,这项研究可能还能应用于量子计算纠错方面。不过,实验结果的真正价值不在于任何实际应用上,而事关我们对量子力学体系的认识。

  薛定谔的猫如何得救

  通过正确的监测,可以观测到一种预警信号并采取行动

  薛定谔的猫悖论,阐释了量子物理中“叠加”的概念(即相反的两种状态可以同时存在)和不可预测性:一只猫被放在一个密封的盒子中,盒子里有一个放射源,还有一种毒药。若放射性物质有一个原子发生衰变,就会释放毒药。量子物理的叠加理论认为,在有人打开这个盒子之前,其中的猫既是活的,又是死的,即处于两种状态的叠加态。一旦打开盒子、观察到了猫的死活,其量子态就会立即改变,变成“死”或“活”中的一种。

  耶鲁大学的研究表明,量子跃迁时能够观测到一种预警信号,这就使得薛定谔那只生死未卜的猫有救了。

  由于原子核的衰变是随机事件,物理学家只知道它衰变的几率,无法知道它在什么时候衰变。如果原子核衰变,放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出氰化物气体,猫就会被毒死。

  如果物理学家不揭开密室的盖子,则猫是死是活的状态就不确定,处于一种既死又活的叠加态。只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死还是活。这样就使得微观的不确定原理,变成了宏观的不确定原理。

  耶鲁大学的研究人员在实验中使用的是一种间接的观察方式,这个技术也正是量子信息领域目前广泛应用的“弱测量”方法,不会扰动被观察对象。研究人员认为,一个粒子的跃迁,既不像之前认为的那样突然,也不像之前认为的那样随机,量子态的演化在一定程度上具有确定性而非随机性。理论上,通过正确的监测,可以确定地发现即将来临的灾难预警,并在灾难发生之前采取行动,在预测到原子核衰变的那一瞬间,移开毒药瓶,于是薛定谔的猫得救了。米涅夫说:“原子的量子跃迁有点类似于火山喷发。从长远来看,它们是完全不可预测的。尽管如此,通过正确的监测,我们可以准确获得即将发生的灾难的预警,并在灾害发生之前对其采取行动。”

  量子力学根基没有受到影响

  论文里明确说明实验结果与量子力学理论符合得很好

  根据冯·诺依曼的总结,量子力学有两个基本的过程,一个是按照薛定谔方程确定性地演化,另一个是因为测量导致的量子叠加态随机塌缩。薛定谔方程是量子力学核心方程,它是确定性的,跟随机性无关。那么量子力学的随机性只来自于测量。

  这个测量随机性正是让爱因斯坦无法理解的地方,他用了“上帝不会掷骰子”这个比喻来反对测量随机性。但无数的实验证实,直接测量一个量子叠加态,它的结果就是随机的。为了解决这个问题,诞生了量子力学多个诠释,其中主流的三个诠释为哥本哈根诠释、多世界诠释和一致历史诠释。

  哥本哈根诠释认为,测量会导致量子态塌缩,即量子态瞬间被破坏,随机跌到一个本征态上;多世界诠释认为,每一次测量就是世界的一次分裂,所有本征态的结果都存在,只是互相完全独立,干扰不到对方,我们只是随机地在某一个世界当中;一致历史诠释引入了量子退相干过程,解决了从叠加态到经典概率分布的问题。但是在选择哪个经典概率上,还是回到了哥本哈根诠释和多世界诠释的争论。

  中国科学院量子信息重点实验室李传锋教授告诉科技日报记者,这些诠释预言了同样的物理结果,相互之间不可证伪,那么物理意义就是等价的,所以学术界还是主要采用哥本哈根诠释,即用塌缩这个词代表测量量子态的随机性。

  “耶鲁学者的实验并没有影响到量子力学的根基,即量子力学内在的不确定性。”李传锋表示,量子跃迁对于波函数本身来说是确定的,就像一个骰子,很确定它不可能掷出7点来一样。波函数能够计算出处于量子态的粒子概率云是如何演化的,但一旦涉及测量问题,薛定谔方程就解决不了,唯一的办法就是计算粒子的概率,如位置概率、动量概率等等。

  “事实上,早在1986年就有研究团队通过实验证实,量子跃迁需要时间。耶鲁大学这次发现量子跃迁不仅需要时间,而且每次跃迁之前会发出一个预警信号。”李传锋说,这就好比说有个人要跳远,但没法去预测他什么时间起跳,但在向前跳之前,他的身体会前倾,会抬起胳膊前后摆动,并且这两件事之间存在确定的因果关系。只要在他抬胳膊时马上打他一下,他就不跳了。但是这个预警信号什么时候出现仍然是概率性的,至于网上流传的“推翻量子力学、推翻量子力学不确定性原理”之类,实验当中根本就没有涉及,况且论文里明确说明实验结果与量子力学理论符合得很好。吴长锋

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