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Nature 研究觀測量子躍遷過程，薛定諤的波函數(shù)得到驗證

2019-06-24 08:34

就在最近，耶魯大學最新發(fā)表在 Nature 上的一項研究表明，量子躍遷其實是一個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。

研究人員能夠計算出某個時間量子躍遷發(fā)生的概率，從而預測“薛定諤的貓”的命運。實驗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為的完全隨機、瞬時發(fā)生的過程，而是更符合薛定諤的波函數(shù)理論。

AI芯天下丨Nature 研究觀測量子躍遷過程，薛定諤的波函數(shù)得到驗證

量子躍遷完全隨機且瞬時發(fā)生

當量子力學被首次提出，作為理解原子尺度世界的理論的時候，其中有一個核心概念極為激進、大膽又反直覺，那就是“量子躍遷”。

上世紀 20 年代中期，物理學家尼爾斯·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。

玻爾在早些時候就提出，原子中電子的能級，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，而所有中間能級都被禁止。

他假設，電子通過吸收或者釋放光量子顆粒光子，改變自己的能量，因為光子具有能量，與允許存在的電子態(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色的，而鈉燈則發(fā)出黃色的光。

AI芯天下丨Nature 研究觀測量子躍遷過程，薛定諤的波函數(shù)得到驗證

量子躍遷過程平緩且連續(xù)變化

另一位量子力學的奠基人，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤則討厭這個觀點。他所設計的理論，最初看來似乎要替代海森堡對離散的量子態(tài)以及瞬時的量子躍遷提出的數(shù)學理論解釋。

在薛定諤的理論中，他用名為波函數(shù)的波狀實體來表示量子粒子，它們的變化是平緩的，隨著時間發(fā)生連續(xù)變化，好比廣闊海面上平緩的波浪一般。

薛定諤認為，真實世界中的事物不會不花一點兒時間就突然大變樣，不連續(xù)的“量子躍遷”只是腦海中的一個幻想。在1952年發(fā)表的一篇題為“是否存在量子躍遷”的文章中，薛定諤堅定地回答：“不存在�！彼€用“量子混球”來稱呼同行，明顯表達了自己的不滿。

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薛定諤的“盒子里的貓”

簡單來說，就是在一個盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。之后，有50％的概率放射性物質(zhì)將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50％的概率放射性物質(zhì)不會衰變而貓將活下來。

根據(jù)經(jīng)典物理學，在盒子里必將發(fā)生這兩個結(jié)果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。在量子的世界里，當盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個系統(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，外部觀測者觀測時，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定。

思想實驗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）可以同時具有多個能級——直到你觀察到它，它的狀態(tài)才會坍縮成確定的點。一旦被觀察到，它在能級之間突然地、隨機式地跳躍就被稱為量子躍遷。

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