物理

量子力學隨機性被推翻了?事情才沒那么簡單

張文卓 發表于  2019-06-20 10:29

|·?本文來自“我是科學家”·|

近日,一則名為“薛定諤的貓終于有救了,Nature 研究首次觀測到量子躍遷過程”的新聞報道刷屏。諸如“耶魯大學實驗推翻量子力學隨機性”“愛因斯坦又蒙對了”等等標題黨紛紛出現,仿佛戰無不勝的量子力學一夜之間陰溝翻船一樣,很多文青紛紛哀嘆宿命論又回來了。然而,事實真的如此?還是報道偏差歪曲了論文本意?

刷屏的新聞報道。圖片來源:百度搜索截圖

什么是量子力學隨機性?

咱們先搞懂量子力學的隨機性說的是什么,再看看這篇論文做了什么。

根據數理雙修的大師馮諾依曼的總結,量子力學有兩個基本的過程,一個是按照薛定諤方程確定性地演化,另一個是因為測量導致的量子疊加態隨機塌縮。薛定諤方程是量子力學核心方程,它是確定性的,跟隨機性無關。那么量子力學的隨機性只來自于后者,也就是來自于測量。

這個測量隨機性正是讓愛因斯坦最無法理解的地方,他用了“上帝不會擲骰子”這個比喻來反對測量隨機性,而薛定諤也假想了測量一只貓的生死疊加態來反對過它。

薛定諤選貓作為實驗對象是不是因為貓愛鉆盒子……圖片來源:Unsplash

但是無數的實驗證實,去直接測量一個量子疊加態,它的結果就是隨機在其中一個本征態上(概率為疊加態中每個本征態的系數模平方),這就是量子力學最重要的測量問題。為了解決這個問題,誕生了量子力學多個詮釋,其中主流的三個詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

哥本哈根詮釋認為,測量會導致量子態塌縮,即量子態瞬間被破壞,隨機跌到一個本征態上;多世界詮釋覺得哥本哈根詮釋太玄了,于是就搞了個更玄的,認為每一次測量就是世界的一次分裂,所有本征態的結果都存在,只是互相完全獨立(正交),干擾不到對方,我們只是隨機地在某一個世界當中;一致歷史詮釋引入了量子退相干過程,解決了從疊加態到經典概率分布的問題。但是在選擇哪個經典概率上,還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭論。

從邏輯上看,多世界詮釋和一致歷史詮釋的結合對解釋測量問題似乎是最完美的,多個世界組成一個總的疊加態,即保留了“上帝視角”的確定性,又保留了單一世界視角的隨機性。但物理學是以實驗為準的科學,這些詮釋預言了同樣的物理結果,相互之間不可證偽,那么物理意義就是等價的,所以學術圈還是主要采用哥本哈根詮釋,即用塌縮(collapse)這個詞代表測量量子態的隨機性。

耶魯大學的論文說了什么?

那么我們再看看耶魯大學這篇Nature論文[1]做了什么。先鋪墊一個量子力學知識,那就是量子躍遷是一個量子疊加態完全按照薛定諤方程演化的確定性過程[2],即在基態|G>上的概率幅按照薛定諤方程連續地轉移到激發態|E>上,再連續地轉移回來,形成一個振蕩(頻率稱為拉比頻率),它屬于馮諾依曼總結的第一類過程。

圖片來源:nature.com

這篇論文測的就是這樣一個確定性的量子躍遷,所以得到確定性結果毫無意外。文章的賣點在于怎樣不讓這個測量破壞掉原本的疊加態,或者怎樣讓量子躍遷不會因突如其來的測量而停止。這個也不是多么神秘的技術,而是量子信息領域目前廣泛應用的“弱測量”方法。

圖片來源:Nature 570, 200–204 (2019)

我們來看這篇nature論文里的實驗用到的能級圖,是一個三能級系統,|G>是基態,|D>是一個激發態,稱為暗態(不易受影響的態),|B>是亮態(易操作的態)。這個實驗用的是超導電路人工構建的三能級系統,信噪比相比真實的原子能級還要差很多。

實驗用到的弱測量技術,就是把原本基態|G>的粒子數(這個實驗用的是超導電流)分出一點點,讓它和|D>形成疊加態,同時|G>剩下的粒子數繼續和|B>疊加,這兩個疊加態(幾乎)是獨立的,(幾乎)不互相影響。例如通過光(微波)強控制兩個躍遷拉比頻率,就能讓概率幅在|B>接近1時,在|D>上也接近1。這時測量|G>和|B>的疊加態,會發現粒子數塌縮在了|B>上面。此時盡管|G>和|D>的疊加態沒塌縮,也能知道概率幅都在|D>上面,再測量|G>和|D>的疊加態結果就是粒子數塌縮在了|D>上。所以測量|G>和|B>的疊加態本身還是個引起隨機塌縮的測量,但這個測量對于|G>和|D>的疊加態來說卻不引起疊加態塌縮(僅有很微弱的改變),同時還能監視|G>和|D>的疊加態演化到什么程度了,這就成為了相對|G>和|D>疊加態的弱測量。

如果這個三能級系統只有一個粒子,那么塌縮在|B>上的粒子數為1時,塌縮在|D>和|G>上的粒子數為零。但這個三能級系統是用超導電流人工制備出來的,相當于有很多電子可用。當一些電子塌縮在|B>上之后,仍然有一些電子處于|D>和|G>的疊加態。所以多粒子系統也保證了這個弱測量實驗可以進行。這和冷原子實驗非常類似,即大量原子具備相同的能級系統,疊加態的概率可以反映在相對原子數上。

上帝依然擲骰子

用一句話總結,這篇nature論文里用了實驗技巧去弱測量一個確定性過程,主動避開了對這個過程能導致隨機結果的測量,一切都符合量子力學預言,對量子力學的測量隨機性沒任何影響。所以愛因斯坦沒翻身,上帝依然擲骰子。

這篇nature論文只是又一次驗證了量子力學的正確,為什么會引起這么大的誤解?這里我不得不吐槽一下。這與作者們在摘要和引言里立的錯誤靶子脫不了干系。估計是為了制造大新聞,他們找到了玻爾在1913年提出的量子躍遷瞬時性的想法做靶子[3],但這個想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定諤方程提出(也就是量子力學正式建立)之后就被否定了,他們在論文里也明確說了實驗其實驗證了薛定諤關于躍遷是連續確定演化的觀點。把玻爾搬出來,很可能是為了營造一個和愛因斯坦對立的效果,延續世紀論戰,多博取關注。但是在量子躍遷這個問題上,是玻爾最早的想法錯了,海森堡和薛定諤對了,不關愛因斯坦什么事。

玻爾(左)和愛因斯坦(右)。圖片來源:Wikimedia Commons

這篇論文的英文報道[4]的作者是Phillip Ball,他盡管寫過很多優秀的科學新聞,但這次大概是碰到了知識盲點,整個報道寫的也是故弄玄虛,沒抓到重點,還把海森堡拉去陪玻爾一起給瞬時躍遷背鍋(不知道海森堡方程和薛定諤方程實質等價嗎?)。然后中文媒體再翻譯過來,其它自媒體再自由發揮一通,就變成了科學傳播的“車禍現場”。

筆者幾年前在丹麥Aarhus大學物理系做博士后時(Aarhus物理系大概一百年前是從哥本哈根大學物理系——即現在的玻爾研究所分出來的,這樣也算和玻爾扯上點淵源),也做過一個監視超冷原子相變的量子弱測量實驗,可不敢像耶魯這個團隊這樣立靶子吹牛,文章后來發的很普通的英國物理學會雜志。量子技術既然瞄準的是第二次信息革命,未來的應用才決定其價值,而不應該沾染為了發頂級期刊而嘩眾取寵的風氣。這樣做即使一時受寵,很快還是會被歷史埋沒。(編輯:Yuki)

參考文獻:

  1. Z. K. Minev, et. al., To catch and reverse a quantum jump mid-flight, Nature 570, 200–204 (2019)
  2. 一般的高等量子力學教材中都有專門的章節講怎么用含時薛定諤方程描述量子躍遷,在量子光學教材中有更細節的光與二能級原子相互作用的半經典模型,光學Bloch方程,全量子J-C模型等,無一例外都屬于含時薛定諤方程。
  3. N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules. Part I. Binding of electrons by positive nuclei. Phil. Mag. 26, 1–25 (1913).
  4. https://www.quantamagazine.org/quantum-leaps-long-assumed-to-be-instantaneous-take-time-20190605/

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全部評論(16)
  • 1樓
    2019-06-20 15:56 天降龍蝦

    感覺就像是很多樹葉在隨風擺動,有的樹葉是正面朝上的、有的是反面朝上的,但不論如何要想看清某片樹葉在某一時刻是正面朝上還是反面朝上,你就必須得把它給定住(用手定,或者用攝影技術定),可定住看清后,那樹葉就沒辦法像以前那樣擺動了。。。。。愛因斯坦不相信不定住樹葉就沒法看正反面,玻爾覺得樹葉并沒有擺動只是葉子的正反面一直在交替位置,而海森堡和薛定諤確認了葉子就是在擺動、而且不定住就是沒法看正反面。。。。。

    [1] 評論
  • 2樓
    2019-06-20 23:58 在雨夜
    引用@天降龍蝦 的話:感覺就像是很多樹葉在隨風擺動,有的樹葉是正面朝上的、有的是反面朝上的,但不論如何要想看清某片樹葉在某一時刻是正面朝上還是反面朝上,你就必須得把它給定住(用手定,或者用攝影技術定),可定住看清后,那樹葉...

    你的理解應該是錯誤的。

    [1] 評論
  • 3樓
    2019-06-21 10:39 毛騾 金屬材料學博士

    沒看懂。

    [0] 評論
  • 4樓
    2019-06-21 11:44 天降龍蝦
    引用@在雨夜 的話:你的理解應該是錯誤的。

    當然是錯誤的。。。要不,你給來個正確的??

    [0] 評論
  • 5樓
    2019-06-21 14:38 xuxuzhaozhao
    引用@在雨夜 的話:你的理解應該是錯誤的。


    那你說出哪里錯了啊,杠誰都會。

    [0] 評論
  • 6樓
    2019-06-21 21:33 54434

    我感覺樓上兩位要掐起來,可是2樓那位還偏偏不掐。。。

    [0] 評論
  • 7樓
    2019-06-24 07:28 54434

    我感覺我要得習得性無助了……

    果殼編輯部的人們你們要不要這么懶啊!!!!!好不容易更新一篇科學人我都恨不得高興三天三夜!!!

    然后第二篇科學人就出現了……

    [0] 評論
  • 8樓
    2019-06-24 09:37 combok
    引用@天降龍蝦 的話:感覺就像是很多樹葉在隨風擺動,有的樹葉是正面朝上的、有的是反面朝上的,但不論如何要想看清某片樹葉在某一時刻是正面朝上還是反面朝上,你就必須得把它給定住(用手定,或者用攝影技術定),可定住看清后,那樹葉...

    所有葉子永遠朝上也朝下!,當你觀測它的話它就變成只朝上或者朝下。。。。

    [0] 評論
  • 9樓
    2019-06-25 18:30 在雨夜
    引用@天降龍蝦 的話:當然是錯誤的。。。要不,你給來個正確的??
    引用@xuxuzhaozhao 的話: 那你說出哪里錯了啊,杠誰都會。
    引用@combok 的話:所有葉子永遠朝上也朝下!,當你觀測它的話它就變成只朝上或者朝下。。。。

    是朝上的同時也朝下。

    [0] 評論
  • 10樓
    2019-06-25 18:32 在雨夜
    引用@54434 的話:我感覺樓上兩位要掐起來,可是2樓那位還偏偏不掐。。。

    這個有必要掐嗎?我只知道這個結論,又不知道為什么會這樣,怎么掐啊?

    [0] 評論
  • 11樓
    2019-06-25 19:10 54434
    引用@在雨夜 的話:這個有必要掐嗎?我只知道這個結論,又不知道為什么會這樣,怎么掐啊?

    一次好的辯論不應該只有結論,應該是有過程的

    此處“掐”意同“辯論”

    [0] 評論
  • 12樓
    2019-06-25 19:13 54434
    引用@54434 的話:一次好的辯論不應該只有結論,應該是有過程的此處“掐”意同“辯論”

    盡管我們都不怎么知道。。。咳咳,不過我們可以@九維空間 啊!

    [0] 評論
  • 13樓
    2019-06-25 19:14 54434

    @LePtC

    這人還在嗎。。。貍PC

    [0] 評論
  • 14樓
    2019-06-25 20:51 天降龍蝦
    引用@在雨夜 的話:是朝上的同時也朝下。

    那只是理論上吧。。由于量子態坍縮之前,沒有任何可行的手段能觀測,所以在理論上,朝上和朝下只能以概率的方式存在。。。。俺在微信群里看到過一幫子化學、物理、數學、哲學等學科的在讀博士生們討論過這事兒,盡管大多看不懂,但大致是這么回事。。。一個在日本留學的化工博士說,量子力學最初就是為了解釋化學反應過程中的隨機性問題,試圖精確地去描述自然化學的全部過程,但后來發現那根本行不通,唯一可能的數學方案,就是用概率去描述微觀粒子在化學反應過程中的動態。。。。海量的微觀粒子,加上極快的運動速度,在理論上便呈現為連續的概率波動。。。就像一顆骰子在隨機搖晃的骰盅里高速運動時,只要不讓骰子停下來,骰子在搖動過程中每個面朝上的情況就處在疊加態當中。。。而在此時,要同時測量骰子的滾動速度和知道骰子某面朝上的狀態,是不可能的。。

    [0] 評論
  • 15樓
    2019-06-26 18:37 在雨夜
    引用@天降龍蝦 的話:那只是理論上吧。。由于量子態坍縮之前,沒有任何可行的手段能觀測,所以在理論上,朝上和朝下只能以概率的方式存在。。。。俺在微信群里看到過一幫子化學、物理、數學、哲學等學科的在讀博士生們討論過這事兒,盡管...

    這個不是理論上的吧。不要用宏觀的直覺來描述微觀。記得有個試驗,某個粒子同時會穿過兩個窄縫,當你觀測它到底是通過了哪個的時候,它就變成了只通過一個了。

    這不是觀測手段不夠的問題,而是觀測就會影響結果。

    你所說的那個化學博士,顯然和文章中說的三種詮釋,根本就不是一個意思。我覺得,那是他自己認為的,沒有證據的說法。

    [0] 評論
  • 16樓
    2019-06-26 19:48 天降龍蝦
    引用@在雨夜 的話:這個不是理論上的吧。不要用宏觀的直覺來描述微觀。記得有個試驗,某個粒子同時會穿過兩個窄縫,當你觀測它到底是通過了哪個的時候,它就變成了只通過一個了。這不是觀測手段不夠的問題,而是觀測就會影響結果。你所...

    可能吧。。。反直覺的現象確實很難解釋,還有量子糾纏這事兒,微觀世界似乎根本沒有時間限制的感覺。。。不過,有一點你理解錯了,不是“觀測手段不夠”,而是“根本沒有不影響結果的觀測手段”。。。。量子尺度上,觀測即干預這點,是可以用常規邏輯理解的。。。。

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張文卓
張文卓 筆名九維空間,物理學博士。現任中國科學院量子信息與量子科技創新研究院 副研究員。

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