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薛定谔的猫不再既死又活:科学家称能预测粒子的量子跃迁行为

2024-03-29 213

“薛定谔的猫”是量子物理学中著名的思想实验:在你打开一个密闭、装有毒气的箱子之前,里面的猫有多种生存状态,可能是死、也可能是活,只有打开箱子瞬间能得到答案,这同时也是量子跃迁的不可预测性。然而现在,耶鲁大学科学家却说,量子跃迁实际上并非随机性的“跳跃”,而是有迹可循的“滑行”,颠覆一直以来的量子认知。

量子跃迁(quantum jump)是量子物理学术语,指原子内的电子从某个轨道跳跃到另一个轨道的过程,这一过程不连续,也就是说,不存在电子出现在两个轨道之间的状态。

所谓电子轨道,如同太阳系中八大行星于各自轨道上围绕着太阳运转,地球不会跑到火星的轨道、火星也不会跑去其他行星的轨道,原子中的电子也类似行星一样绕着原子核运行(只是并非同心圆轨道)。根据物理学家尼尔斯·波耳提出的波耳模型,电子运转于原子内某一特定轨域,具有特定能级,距离原子核越远的轨域,其能级就越高,当电子从高能级轨域跃迁到低能级轨域时,会释出能量;相反地,电子从低能级轨域跃迁到高能级轨域则会吸收能量。

▲ 原子模型。(Source:pixabay)

薛定谔猫就是量子力学的思想实验。把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子中,当盒内监控器侦测到衰变粒子时,就会打破烧瓶杀死这只猫。然而,在我们打开盒子之前,我们不知道放射性物质是否释放、猫咪是死是活,只有在打开盒子的刹那可以知道猫是死是活,在此之前,活着的猫是基态,死亡的猫是激发态,猫咪处于生存与死亡的叠加态。

而在量子力学中,其核心理念就是粒子行为会变得“不可预测”,只有在观察的瞬间可以得到答案。微观尺度上,粒子将呈现离散状态而非连续状态,也就是说粒子会像跳楼梯一样随机跳跃到另一种状态,而不是顺着斜坡有迹可循,在我们观察一个粒子之前,粒子同时处于多种状态,只在我们观察的瞬间,粒子才立即陷入某种状态。

然而耶鲁大学一篇新研究表明,跳跃并非瞬间发生,且实际上更像是滑行而不是跳跃,只是滑行速度快到我们以为是跳跃。论文第一作者 Zlatko Minev 表示,我们以为跳跃就像瞬间移动出现在我们观察的那一刻,但当我们把时间放慢,情况立刻大不相同。

研究人员于实验中利用一种特殊方法间接监测超导人造原子,当以微波辐射搅动原子并使其出现量子跃迁时,研究人员看到了突然出现的光子,说明粒子即将跃入激发态,可以当成量子跳跃前的预告。一旦量子跳跃,就会遵循相同路径,该团队观察了超过 680 万次跳跃,其模式都是一致的。

虽然“长期来看”仍存在不可预测性,比如研究人员无法准确预测量子跳跃何时发生,可能是 5 分钟后、也可能是 5 小时后, Zlatko Minev 形容这有点像火山爆发,我们无法预测何时会发生喷发灾难,但是透过严密准确的监控,我们能确定某些现象,预警灾难即将发生。

甚至若我们有能力介入的话,还能扭转灾难,如果拿薛定谔的猫来说——我们可以在它死亡之前介入干预救回它。

量子跳跃的不可预测性会导致量子电脑在计算时出现问题,如果量子跳跃不再是随机的、而是可预测的行为,或让量子电脑领域走上光明大道,虽然将研究整合到现有量子电脑前还有很多一段小路要走。新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

  • Scientists Save Schrödinger’s Cat
  • Physicists can predict the jumps of Schrödinger’s cat (and finally save it)
  • Schrödinger’s cat could be saved, say scientists
  • Physicists Have Finally Figured Out a Way to Save Schrödinger’s Cat

(首图来源:pixabay)

2019-06-18 05:51:00

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