耶鲁大学科学家通过一种高速摄影技术，揭示了

途说历史网

发布于2023-06-02

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耶鲁大学科学家通过一种高速摄影技术，揭示了

耶鲁大学科学家经过一种高速拍摄技能，提醒了量子跃迁按部就班的进程。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仍是接连性的争辩。

量子力学作为了解原子标准国际的理论，其间有一个中心概念极为急进斗胆又反直觉，乃至成为了流行语，那便是量子跃迁。量子力学的前驱们大都信任：量子跃迁是随机的、瞬时的。

一项新的试验标明，现实并非如此。该研讨由耶鲁大学麦克德沃雷特试验室的研讨生兹拉特科米涅夫等完结，他与搭档经过一种高速拍摄技能，提醒了量子跃迁按部就班的进程。这一效果近来宣布在《天然》杂志上。

试验的含义或许还远不止于此：研讨人员运用高速检测系统，在行将符号出量子跃迁的时分，捉住它然后再反转，将系统康复到初始状况。

如此一来，量子物理中不行避免的随机进程，现在被证明是可以操控的人们真的可以掌控量子了？

量子跃迁之争

与玻尔和海森堡的量子理论不同，薛定谔以为不存在量子跃迁

上世纪20年代中期，物理学家尼尔斯玻尔、维尔纳海森堡和搭档们建立了量子理论，玻尔首要提出了量子跃迁的概念，但直到上世纪80年代才在试验室中被调查到。这套理论统称为哥本哈根诠释。

玻尔在早些时分就提出，原子中电子的能级（即能量状况）是量子化的，也便是说，电子只能运用某些能级，而一切中心能级都被制止。他假定，电子经过吸收或许开释光量子颗粒即光子来改动自己的能量，而光子的能量，与答应存在的电子态之间的能隙相匹配。这就解说了为什么原子和分子可以吸收或开释特定波长的光，比方许多含铜盐是蓝色的，而钠灯则宣布黄色的光。

在玻尔和海森堡着手开展的一套可以解说量子现象的数学理论中，海森堡列举了一切答应的量子态，暗示这些量子态之间的跃迁是瞬时的、不接连的。瞬时量子跃迁的概念，成为了哥本哈根诠释的一个根本理念。

可是，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附和这个观念。在薛定谔的理论中，他用波函数的波状实体来标明量子粒子，它们的改动是陡峭的，跟着时刻发作接连改动，比如宽广海面上陡峭的波涛一般。

薛定谔以为，实在国际中的事物不会不花一点儿时刻就忽然大变样，不接连的量子跃迁仅仅脑海中的一个梦想。在1952年宣布的一篇题为是否存在量子跃迁的文章中，薛定谔坚定地答复：不存在。

二者争辩的焦点不只仅在于薛定谔喜不喜欢忽然改动，而在于，玻尔等人的理论宣称量子跃迁会随机发作，但说不出为什么便是那个特定机遇。这就如同一个没有原因的成果，无疑是对天然因果律的极大应战。

为了深化探求，人们需求调查到单次的量子跃迁。1986年，三个国际研讨团队陈述，他们在受电磁场效果下悬浮的单个原子中调查到了量子跃迁：原子在亮态和暗态之间来回转化，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；原子在其间某一个状况下坚持几十分之一秒到几秒的时刻，然后再次发作跃迁。

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化，也有固体资料原子在量子化的磁化状况之间跃迁。2007年，法国的一个科研团队陈述发现了一种跃迁，契合他们所描绘的单个光子从出世、活泼到逝世的进程。

在这些试验中，跃迁看上去确实是忽然又随机的，因为即便对量子系统进行监测，谁也说不准什么时分会发作跃迁，也没有详细图画显现跃迁的姿态。

捕获量子跃迁

耶鲁大学的试验不只可以猜测跃迁，乃至还可以反转跃迁

耶鲁大学的这个试验详细是怎样做的？

大致说来，他们运用一种特别方法直接监测超导人工原子，也便是用三台微波发作器照耀着关闭在铝制三维腔体内的原子，这种为超导电路开发的两层直接监测方法可以使研讨人员可以以史无前例的功率调查原子。他们发现，每逢量子跃迁发作前，都会发作一种细小的光子消失现象，这可以被作为是一种预警信号。

论文的榜首作者米涅夫说：运用这个现象，不只可以猜测跃迁，乃至还可以反转跃迁。

研讨人员标明，尽管从长时刻来看，量子跃迁是离散的和随机的，但阻挠量子跃迁意味着量子态的演化必定程度上具有了确认性，而非彻底随机；跃迁总是以相同的、可猜测的方法从其随机开始点发作。

研讨人员运用的量子系统要比原子大得多，由超导资料制成的线缆构成，有时被称作人工原子，因为它们具有离散的量子能态，类似于实在原子中的电子态。能态之间的跃迁可以经过吸收或许开释一个光子诱导出来，就跟原子中的电子跃迁相同。

有科学家以为，这项研讨或许还能应用于量子核算纠错方面。不过，试验成果的真实价值不在于任何实践应用上，而事关咱们对量子力学系统的知道。

薛定谔的猫怎么获救

经过正确的监测，可以观测到一种预警信号并采纳举动

薛定谔的猫悖论，阐释了量子物理中叠加的概念（即相反的两种状况可以一起存在）和不行猜测性：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作衰变，就会开释毒药。量子物理的叠加理论以为，在有人翻开这个盒子之前，其间的猫既是活的，又是死的，即处于两种状况的叠加态。一旦翻开盒子、调查到了猫的死活，其量子态就会当即改动，变成死或活中的一种。

耶鲁大学的研讨标明，量子跃迁时可以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。

因为原子核的衰变是随机事情，物理学家只知道它衰变的几率，无法知道它在什么时分衰变。假如原子核衰变，放出阿尔法粒子，牵动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，开释出氰化物气体，猫就会被毒死。

假如物理学家不揭开密室的盖子，则猫是死是活的状况就不确认，处于一种既死又活的叠加态。只需在揭开盖子的一会儿，才干切当地知道猫是死仍是活。这样就使得微观的不确认原理，变成了微观的不确认原理。

耶鲁大学的研讨人员在试验中运用的是一种直接的调查方法，这个技能也正是量子信息范畴现在广泛应用的弱丈量方法，不会扰动被调查目标。研讨人员以为，一个粒子的跃迁，既不像之前以为的那样忽然，也不像之前以为的那样随机，量子态的演化在必定程度上具有确认性而非随机性。理论上，经过正确的监测，可以确认地发现行将来临的灾祸预警，并在灾祸发作之前采纳举动，在猜测到原子核衰变的那一会儿，移开毒药瓶，所以薛定谔的猫获救了。米涅夫说：原子的量子跃迁有点类似于火山喷射。从长远来看，它们是彻底不行猜测的。尽管如此，经过正确的监测，咱们可以精确取得行将发作的灾祸的预警，并在灾祸发作之前对其采纳举动。

量子力学根基没有受到影响

论文里清晰阐明试验成果与量子力学理论契合得很好

依据冯诺依曼的总结，量子力学有两个根本的进程，一个是依照薛定谔方程确认性地演化，另一个是因为丈量导致的量子叠加态随机塌缩。薛定谔方程是量子力学中心方程，它是确认性的，跟随机性无关。那么量子力学的随机性只来自于丈量。

这个丈量随机性正是让爱因斯坦无法了解的当地，他用了天主不会掷骰子这个比方来对立丈量随机性。但很多的试验证明，直接丈量一个量子叠加态，它的成果便是随机的。为了处理这个问题，诞生了量子力学多个诠释，其间干流的三个诠释为哥本哈根诠释、多国际诠释和共同前史诠释。

哥本哈根诠释以为，丈量会导致量子态塌缩，即量子态瞬间被损坏，随机跌到一个本征态上；多国际诠释以为，每一次丈量便是国际的一次割裂，一切本征态的成果都存在，仅仅相互彻底独立，搅扰不到对方，咱们仅仅随机地在某一个国际傍边；共同前史诠释引入了量子退相干进程，处理了从叠加态到经典概率散布的问题。可是在挑选哪个经典概率上，仍是回到了哥本哈根诠释和多国际诠释的争辩。

中国科学院量子信息要点试验室李传锋教授告知科技日报记者，这些诠释预言了相同的物理成果，相互之间不行证伪，那么物理含义便是等价的，所以学术界仍是首要选用哥本哈根诠释，即用塌缩这个词代表丈量量子态的随机性。

耶鲁学者的试验并没有影响到量子力学的根基，即量子力学内涵的不确认性。李传锋标明，量子跃迁关于波函数自身来说是确认的，就像一个骰子，很确认它不或许掷出7点来相同。波函数可以核算出处于量子态的粒子概率云是怎么演化的，但一旦触及丈量问题，薛定谔方程就处理不了，仅有的方法便是核算粒子的概率，如方位概率、动量概率等等。

现实上，早在1986年就有研讨团队经过试验证明，量子跃迁需求时刻。耶鲁大学这次发现量子跃迁不只需求时刻，而且每次跃迁之前会宣布一个预警信号。李传锋说，这就比如说有个人要跳远，但无法去猜测他什么时刻起跳，但在向前跳之前，他的身体会前倾，会抬起臂膀前后摇摆，而且这两件事之间存在确认的因果关系。只需在他抬臂膀时立刻打他一下，他就不跳了。可是这个预警信号什么时分呈现仍然是概率性的，至于网上撒播的推翻量子力学、推翻量子力学不确认性原理之类，试验傍边根本就没有触及，何况论文里清晰阐明试验成果与量子力学理论契合得很好。

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