量子力学随机性被推翻?放心吧,上帝依然掷骰子

怎么读大全 2019-07-11 17:12119http://www.cdaxzc.comadmin

量子力学随机性被推翻?放心吧,上帝依然掷骰子

  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。”

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