薛丁格的貓不再既死又活:科學家稱能預測粒子的量子躍遷行為

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 17 日 19:35 | 分類 尖端科技 , 自然科學 , 電腦 follow us in feedly


「薛丁格的貓」是量子物理學著名的思想實驗:在你打開一個密閉、裝有毒氣的箱子之前,裡面的貓有多種生存狀態,可能是死、也可能是活,只有打開箱子瞬間能得到答案,這同時也是量子躍遷的不可預測性。然而現在,耶魯大學科學家卻說,量子躍遷實際上並非隨機性「跳躍」,而是有跡可循的「滑行」,顛覆一直以來的量子認知。

量子躍遷(quantum jump)是量子物理學術語,指原子內的電子從某個軌道跳到另一個軌道的過程,這過程不連續,也就是說,不存在電子出現在兩個軌道之間的狀態。

所謂電子軌道,如同太陽系中八大行星於各自軌道繞著太陽運轉,地球不會跑到火星的軌道、火星也不會跑去其他行星的軌道,原子中的電子也類似行星一樣繞著原子核運行(只是並非同心圓軌道)。根據物理學家尼爾斯·波耳提出的波耳模型,電子運轉於原子內某一特定軌域,具有特定能級,距離原子核越遠的軌域,能級就越高,當電子從高能級軌域躍遷到低能級軌域時,會釋出能量;相反地,電子從低能級軌域躍遷到高能級軌域會吸收能量。

▲ 原子模型。(Source:pixabay

薛丁格貓就是量子力學的思想實驗。把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子,當盒內監控器偵測到衰變粒子時,就會打破燒瓶殺死這隻貓。然而,在我們打開盒子之前,我們不知道放射性物質是否釋放、貓咪是死是活,只有打開盒子的剎那可知道貓是死是活,在此之前,活著的貓是基態,死亡的貓是激發態,貓咪處於生存與死亡的疊加態。

而在量子力學,核心理念就是粒子行為會變得「不可預測」,只有在觀察的瞬間可得到答案。微觀程度上,粒子將呈現離散狀態而非連續狀態,也就是說粒子會像跳樓梯隨機跳到另一種狀態,而不是順著斜坡有跡可循,在我們觀察一個粒子之前,粒子同時處於多種狀態,只在我們觀察的瞬間,粒子才立即陷入某種狀態。

然而耶魯大學一篇新研究表明,跳躍並非瞬間發生,實際更像滑行而不是跳躍,只是滑行速度快到我們以為是跳躍。論文第一作者 Zlatko Minev 表示,我們以為跳躍就像瞬間移動出現在我們觀察的那一刻,但當把時間放慢,情況立刻大不相同。

研究人員於實驗中利用一種特殊方法間接監測超導人造原子,當以微波輻射攪動原子並使其出現量子躍遷時,研究人員看到突然出現的光子,說明粒子即將躍入激發態,可當成量子跳躍前的預告。一旦量子跳躍,就會遵循相同路徑。團隊觀察了超過 680 萬次跳躍,模式都是一致的。

雖然「長期來看」仍有不可預測性,比如研究人員無法準確預測量子跳躍何時發生,可能是 5 分鐘後、也可能是 5 小時後, Zlatko Minev 形容這有點像火山爆發,無法預測何時會發生噴發災難,但是透過嚴密準確的監控,我們能確定某些現象,預警災難即將發生。

甚至若我們有能力介入,還能扭轉災難,如果拿薛丁格的貓來說──我們可在牠死亡之前介入干預救回牠。

量子跳躍的不可預測性會導致量子電腦計算時出現問題,如果量子跳躍不再隨機、而是可預測的行為,或讓量子電腦領域走上光明大道,雖然將研究整合到現有量子電腦前還有很多路要走。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:pixabay