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量子力学随机性被推翻？ 放心吧，上帝依然掷骰子

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量子力学随机性被推翻？ 放心吧，上帝依然掷骰子

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耶鲁大学科学家通过一种高速摄影技术 ， 揭示了量子跃迁循序渐进的过程 。量子跃迁再次成为流行语 ， 并掀起一场关于量子力学是随机性还是连续性的争论 。
量子力学作为理解原子尺度世界的理论 ， 其中有一个核心概念极为激进大胆又反直觉 ， 甚至成为了流行语 ， 那就是“量子跃迁” 。量子力学的先驱们大都相信：量子跃迁是“随机的、瞬时的”。
一项新的实验表明 ， 事实并非如此 。该研究由耶鲁大学麦克⋅德沃雷特实验室的研究生兹拉特科⋅米涅夫等完成 ， 他与同事通过一种高速摄影技术 ， 揭示了量子跃迁循序渐进的过程 。这一成果近日发表在《自然》杂志上 。
实验的意义可能还远不止于此：研究人员利用高速检测系统 ， 在即将标记出量子跃迁的时候 ， “抓住”它然后再逆转 ， 将系统恢复到初始状态 。
如此一来 ， 量子物理中不可避免的随机过程 ， 现在被证明是可以控制的——人们真的能够掌控量子了？
量子跃迁之争
与玻尔和海森堡的量子理论不同 ， 薛定谔认为不存在量子跃迁
上世纪20年代中期 ， 物理学家尼尔斯⋅玻尔、维尔纳⋅海森堡和同事们建立了量子理论 ， 玻尔首先提出了量子跃迁的概念 ， 但直到上世纪80年代才在实验室中被观察到 。这套理论统称为哥本哈根诠释 。
玻尔在早些时候就提出 ， 原子中电子的能级（即能量状态）是量子化的 ， 也就是说 ， 电子只能使用某些能级 ， 而所有中间能级都被禁止 。他假设 ， 电子通过吸收或者释放光量子颗粒即光子来改变自己的能量 ， 而光子的能量 ， 与允许存在的电子态之间的能隙相匹配 。这就解释了为什么原子和分子能够吸收或释放特定波长的光 ， 比如许多含铜盐是蓝色的 ， 而钠灯则发出黄色的光 。
在玻尔和海森堡着手发展的一套能够解释量子现象的数学理论中 ， 海森堡列举了所有允许的量子态 ， 暗示这些量子态之间的跃迁是瞬时的、不连续的 。瞬时量子跃迁的概念 ， 成为了哥本哈根诠释的一个基本理念 。
但是 ， 量子力学的另一位奠基人、奥地利物理学家埃尔温⋅薛定谔并不赞同这个观点 。在薛定谔的理论中 ， 他用波函数的波状实体来表示量子粒子 ， 它们的变化是平缓的 ， 随着时间发生连续变化 ， 好比广阔海面上平缓的波浪一般 。
薛定谔认为 ， 真实世界中的事物不会不花一点儿时间就突然大变样 ， 不连续的量子跃迁只是脑海中的一个幻想 。在1952年发表的一篇题为“是否存在量子跃迁”的文章中 ， 薛定谔坚定地回答：“不存在 。”
二者争论的焦点不仅仅在于薛定谔喜不喜欢突然变化 ， 而在于 ， 玻尔等人的理论声称量子跃迁会随机发生 ， 但说不出为什么就是那个特定时机 。这就好像一个没有原因的结果 ， 无疑是对自然因果律的极大挑战 。
为了深入探究 ， 人们需要观察到单次的量子跃迁 。1986年 ， 三个国际研究团队报告 ， 他们在受电磁场作用下悬浮的单个原子中观察到了量子跃迁：原子在“亮”态和“暗”态之间来回转换 ， 处在“亮”态时原子会发射一个光子 ， 而“暗”态时则不会随机发射光子；原子在其中某一个状态下保持几十分之一秒到几秒的时间 ， 然后再次发生跃迁 。
自此之后 ， 人们又在不同的系统中观测到了这样的跃迁 ， 有光子在不同量子态之间的转换 ， 也有固体材料原子在量子化的磁化状态之间跃迁 。2007年 ， 法国的一个科研团队报告发现了一种跃迁 ， 符合他们所描述的“单个光子从出生、活跃到死亡”的过程 。
在这些实验中 ， 跃迁看上去确实是突然又随机的 ， 因为即使对量子系统进行监测 ， 谁也说不准什么时候会发生跃迁 ， 也没有具体图像显示跃迁的样子 。
捕获量子跃迁
耶鲁大学的实验不仅可以预测跃迁 ， 甚至还可以逆转跃迁


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