Nature 研究觀測(cè)量子躍遷過程,薛定諤的波函數(shù)得到驗(yàn)證
就在最近,耶魯大學(xué)最新發(fā)表在 Nature 上的一項(xiàng)研究表明,量子躍遷其實(shí)是一個(gè)如快放電影般的連續(xù)過程,而不是人們此前所想的那種“瞬間發(fā)生”的非連續(xù)事件。
研究人員能夠計(jì)算出某個(gè)時(shí)間量子躍遷發(fā)生的概率,從而預(yù)測(cè)“薛定諤的貓”的命運(yùn)。實(shí)驗(yàn)首次捕捉到了躍遷中的量子系統(tǒng),這意味著量子躍遷并非玻爾和海森堡所認(rèn)為的完全隨機(jī)、瞬時(shí)發(fā)生的過程,而是更符合薛定諤的波函數(shù)理論。
量子躍遷完全隨機(jī)且瞬時(shí)發(fā)生
當(dāng)量子力學(xué)被首次提出,作為理解原子尺度世界的理論的時(shí)候,其中有一個(gè)核心概念極為激進(jìn)、大膽又反直覺,那就是“量子躍遷”。
上世紀(jì) 20 年代中期,物理學(xué)家尼爾斯·玻爾、維爾納·海森堡和同事們建立了量子理論,而量子躍遷的瞬時(shí)性正是其中的核心支柱,如今這套理論統(tǒng)稱為哥本哈根詮釋。
玻爾在早些時(shí)候就提出,原子中電子的能級(jí),即能量狀態(tài)是量子化的,也就是說,電子只能使用某些能級(jí),而所有中間能級(jí)都被禁止。
他假設(shè),電子通過吸收或者釋放光量子顆粒光子,改變自己的能量,因?yàn)楣庾泳哂心芰浚c允許存在的電子態(tài)之間的能隙相匹配。這就解釋了為什么原子和分子能夠吸收或釋放特定波長的光,比如許多含銅鹽是藍(lán)色的,而鈉燈則發(fā)出黃色的光。
量子躍遷過程平緩且連續(xù)變化
另一位量子力學(xué)的奠基人,奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤則討厭這個(gè)觀點(diǎn)。他所設(shè)計(jì)的理論,最初看來似乎要替代海森堡對(duì)離散的量子態(tài)以及瞬時(shí)的量子躍遷提出的數(shù)學(xué)理論解釋。
在薛定諤的理論中,他用名為波函數(shù)的波狀實(shí)體來表示量子粒子,它們的變化是平緩的,隨著時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化,好比廣闊海面上平緩的波浪一般。
薛定諤認(rèn)為,真實(shí)世界中的事物不會(huì)不花一點(diǎn)兒時(shí)間就突然大變樣,不連續(xù)的“量子躍遷”只是腦海中的一個(gè)幻想。在1952年發(fā)表的一篇題為“是否存在量子躍遷”的文章中,薛定諤堅(jiān)定地回答:“不存在!彼用“量子混球”來稱呼同行,明顯表達(dá)了自己的不滿。
薛定諤的“盒子里的貓”
簡單來說,就是在一個(gè)盒子里有一只貓,以及少量放射性物質(zhì)。之后,有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓,同時(shí)有50%的概率放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué),在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一,而外部觀測(cè)者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。在量子的世界里,當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài),整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài),即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開后,外部觀測(cè)者觀測(cè)時(shí),物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定。
思想實(shí)驗(yàn)的核心是被稱為量子疊加態(tài)的特性,其中粒子(如原子,或電子,或光子)可以同時(shí)具有多個(gè)能級(jí)——直到你觀察到它,它的狀態(tài)才會(huì)坍縮成確定的點(diǎn)。一旦被觀察到,它在能級(jí)之間突然地、隨機(jī)式地跳躍就被稱為量子躍遷。

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