量子隨機論遭遇挑戰：耶魯拯救薛定諤貓

六月初，耶魯大學傳出喜訊：他們推翻了多年以來量子物理學的一個基石，量子躍遷并非是隨機的，而是確定的、可以預測的。這個實驗結果正是我在《宇宙的規則：決定論or隨機論》中所持有的立場。

欣喜之下，馬上托群友找了耶魯發表在NATURE上的原論文，硬啃了一遍。

該論文的標題是《捕獲了一個量子躍遷、并且中途逆轉了一個量子躍遷》

以下是我的翻譯，先大概看看精神，后文再做展開解讀：

量子物理是用來解釋測量中的兩大基本特征：離散性（不連續性）和隨機性。這些特征中的典型者就是玻爾針對一個原子的兩個分立能級之間量子躍遷的看法。從實驗上來講，量子躍遷首先是這樣被觀測到的：在又強又連續的能量測量中，原子離子在一個確定的較弱的作用力驅動下，量子躍遷就被觀測到了。普遍認為，這種不連續的量子躍遷發生的時間是不可預測的。那么，盡管量子物理具有非決定論的屬性，是否有可能預先知道一個量子躍遷到底是發生還是不發生呢？這里，我們的回答是肯定的。實驗結果展示：一個人造的超導三能級原子在沿著可預測的“航行”中，我們通過監控與基態相耦合的附屬能級，可以實現對該原子從基態到激發態的量子躍遷的追蹤。實驗結果顯示，完整的量子躍遷演化是連續的并且是確定的。考察這些特征以及運用實時監控和反饋，我們在中途捕獲并逆轉了量子躍遷。

要想了解耶魯這次實驗的重要意義，就先從量子躍遷的概念說起。到底什么是量子躍遷，科學本來對量子躍遷是如何認識的。

量子躍遷是量子化時代的產物。首先是普朗克提出了能量子的概念，認為電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hν，ν為輻射電磁波的頻率，h就是普朗克常數。

隨后，愛因斯坦又提出光量子假說，認為光和原子電子一樣也具有粒子性，每個光量子的能量也是E=hν（別忘了麥克斯韋的話：光就是電磁波）。

在普朗克、愛因斯坦的帶動下，量子化的時代開始了。所謂“量子化”，就是將一個本來視作連續的物理量重新認定為只能具有不連續的分離數值的過程。

玻爾為了挽救盧瑟福提出的原子太陽系模型，為了說明為何氫原子光譜是不連續的，拼湊出一套假設：

1）不連續能級：原子系統只能存在于一些不連續的能量狀態中，比如E1，E2，E3，E4，每個狀態都是穩定的狀態。在這些狀態中，電子繞原子核運動是不輻射能量的。只有當電子從高能級躍遷到低能級時，才會發射單色光，是所謂量子躍遷。

2）瞬間躍遷：量子躍遷的發生是瞬間的，它就不是一個過程。

3）不可預測性：一個電子會在哪一個時刻發生量子躍遷，這是永遠無法預測的，我們只能計算出它在某個時刻發生躍遷的概率，但永遠不知道它何時會發生躍遷，就連電子自己都不知道。

玻爾提出的量子躍遷，在后來的實驗中不斷得到證實，其理論也不斷得到完善和補充。現在我大概說說目前的量子躍遷理論。

廣而言之，量子躍遷就是微觀粒子所發生的跳躍式變化：不連續且是瞬間的。電子被光照射，就可能從低能級躍遷到高能級，因為它吸收光子了。處于高能級的電子也會跳到低能級，同時會釋放光子。電子這種沒有中間過程的上躥下跳就是一種典型的量子躍遷。

根據經典的量子理論，人類是無法預言電子自發躍遷的確切時刻，完全處于同樣狀態的電子，有的躍遷發生的早一些，有的晚一些，只能算出其躍遷的概率。按照量子隨機論的觀點，就是電子本身就是隨機躍遷的，所以想要構建決定論的量子躍遷理論是徒勞無功的。

但是有些物理學家堅決不同意這種說法。耶魯論文的第一句話就指出：玻爾在1913年構想了量子躍遷的理論，而薛定諤強烈反對量子躍遷的存在。薛定諤就是要用連續的波來替代量子的不連續性，確切地說，薛定諤就是想要否定量子理論的根基，哪里有什么量子化，世間萬物的進程都是決定論的。

薛定諤尤其將矛頭指向了量子躍遷，認為量子躍遷這種想法是一個奇特的幻想。所謂的量子躍遷，是漸變躍遷、還是突變躍遷？若是突變躍遷，其內在機制是什么？玻爾反唇相譏：我們不能想象微觀世界的躍遷，但并不代表不存在量子躍遷。

在薛定諤的不斷攻擊下，玻爾、海森堡和玻恩構建了量子力學的哥本哈根詮釋的三大支柱：玻爾提出互補原理，海森堡提出測不準原理，玻恩將薛定諤方程中的波函數解讀為概率，確切地說波函數的平方就是一個事件發生的概率，為哥本哈根學派的雄起奠定了基礎。玻爾硬生生地將本來是決定論的薛定諤方程一下子變成了隨機論的概率性方程。

至于玻恩是如何將決定論的薛定諤方程轉變為隨機論的概率方程，這在我的新書《宇宙的規則》中有詳細生動的解讀（第61頁到64頁）。

耶魯大學的實驗是基于一個理論，是由奧克蘭大學Carmichael構建的量子理論——量子軌跡理論。Carmichael根據自己的理論，對量子躍遷做出了重大預測：原子從基態躍遷到激發態時，這中間的過程是連續演化的，而且在躍遷發生之前還存在一個“潛伏期”，這個潛伏期將為即將發生的量子躍遷提供一個警告信號。

這個預測是非常驚人的，尤其是量子躍遷之前會提供一個警告信號，意味著這個躍遷是否會發生，是可以提前知道，是可以準確預測的。

在這里簡單地說說基態和激發態的概念。

所謂原子的基態，就是原子處于最低能級——也就是電子在離核最近的軌道上運動的狀態。

但是，一旦處于基態的原子受到外界的刺激，比如遭到光的照射，其電子就會被激發，躍遷到距離核較遠的軌道上運動。同樣，激發態的原子也可能會躍遷到基態。玻爾認為，躍遷何時發生是無法預測的，因為其本身就是隨機的，我們只能計算其概率大小。但Carmichael的量子理論對玻爾的說法表示呵呵。

到底誰能呵呵到最后呢？這個要有實驗結果決定。

耶魯大學的實驗很不容易，因為觀測量子躍遷特別困難。為什么呢？

因為只要一觀測，本來處于基態和激發態相疊加的系統就會坍縮在基態或激發態了，最終只能證明玻爾說的是正確的：果然是瞬間且不連續的。此番耶魯實驗，是想觀測原子自己發生量子躍遷的過程，而不是觀測導致坍縮而造成的結果。

耶魯大學的Minev為了觀測基態與激發態之間是否發生了躍遷，他巧妙地引入了一個輔助能級，通過觀測這個輔助能級，來判斷基態與激發態之間是否發生躍遷。那這個輔助能級為何能反應出那兩個能級之間發生的事兒呢？因為Minev讓這個輔助能級與所要觀測的基態之間發生了耦合，所以基態一旦有異常變化，這個輔助能級就會感受到，由此判斷出基態是否發生了躍遷。

我來解釋上圖：耶魯準備用第三方來監控兩個能級之間的量子躍遷，這個第三方是一個輔助能級，所以耶魯要面對的是一個三能級系統。原本要觀測的兩個能級是：一個基態能級G，一個黑態能級D，英語為什么要叫darklevel,因為實驗專門把這個D態設計為不與任何測量裝置相互作用，不與任何耗散環境相耦合，讓D態保持在黑的狀態，所以D態是否會躍遷到G態、或者G是否躍遷到了D態，這是它自己的作為，絕不會是觀測所導致。這個黑態能級G當然是一種激發態。

另外還引入了輔助態能級B，也就是剛才所謂的第三方，它用來監控基態G與黑態D之間的躍遷，所以B態是可以觀測的，又將之稱為亮態。能級B也是一種激發態。

總結一下，能級系統有基態G，有黑態D，還有一個亮態B，亮態B是個輔助態，我們通過觀測B來實現對基態G與黑態D之間躍遷的觀測。

問題是為何觀測B就能看出那兩者之間是否發生躍遷了呢？因為通過一個很強的Rabi驅動，將基態G的狀態與B的狀態發生了關聯，基態G的變化就能反應到B狀態的變化，所以通過觀測B就可以間接地觀測到G是否發生躍遷。

總之，在這個三能級系統中，G是基態，黑態D和亮態B都是激發態，目標是想要知道G與D之間何時發生躍遷的，手段是直接觀測G與B之間的躍遷，由此耶魯實現了通過實時監測輔助態B從而追蹤到基態G與黑態D之間的躍遷。

結果發現，系統狀態在基態G和激發態D之間躍遷是連續演化的，而且在躍遷之前，總是會有一個潛伏期。在這個潛伏期期間，輔助態B會發出一個預警信號，這個信號就能預警即將來臨的G與D之間的量子躍遷。

搞笑的是，這個預警信號竟然是沒有信號，就是B通過不發出信號來進行了預警。就好比，一個人一天吃三頓飯，這算不上什么信號，但如果一個人從一天三頓飯突然變成不吃飯，這倒是給我們一個強烈的信號。

本來亮態B與基態G之間的躍遷是高頻的，不停地跳，這樣每當B跳到G時，就會有發出一個可以直接觀測到的光子，而且耶魯設計的是還能發成響聲。正常情況下，每隔幾微秒就要咔嗒一聲，這意味著亮態B與基態G之間在正常地躍遷。但是實驗發現，過了幾百微秒左右，這個咔嗒聲突然就沒了，會中斷大約100微秒，這就意味著基態G與黑態D之間的躍遷即將發生。換句話說，G與D之間的躍遷是可以提前預測的。

最終的實驗結果表明：量子躍遷既不是突然的、也不是隨機的，而是每一個躍遷都具有連續且確定的演化，與玻爾的設想截然不同。但是卻與量子軌跡理論驚人的吻合，完全符合該理論對實驗結果的預言。

尤其令玻爾不可想象的是，耶魯還能在量子躍遷已經開始后，對這個躍遷進行攔截，讓它再返回基態。之所以能這樣做，就是因為量子躍遷不是瞬間的，是需要時間的，是一個連續的演化過程，這個過程大概需要4微秒。所以，就有可能在這4微秒中之內搞些事情，來改變原本的躍遷趨勢。事實上，耶魯研究者就在躍遷剛剛開始后，用一個電脈沖擊中原子, 不但終止了它向黑態G躍遷的趨勢，而且將其打回原本的基態G。

總之，量子躍遷是有的，但絕不是玻爾想象的那種躍遷，而是一步一個腳印連續地走過來的。

因為這個實驗結果太驚人，耶魯大學專門為此發了一個新聞稿，聲稱他們拯救了薛定諤貓。表面上這個實驗與薛定諤貓毫無關聯，實際上是極為關聯的，耶魯新聞稿不是胡扯淡的。

（一）原版薛定諤貓

薛定諤貓是一個思想實驗——目的就是為了打擊隨機論，打擊哥本哈根學派對量子力學的闡釋。《宇宙的規則》第69頁有詳細的展開，這里略講：

想象一下，將一只貓密封在一個盒子里，盒子里有一個毒藥瓶，氰化鉀密封在毒藥瓶里。毒藥瓶上有一個鐵錘，鐵錘由一個電子開關控制，而電子開關又由一個放射性原子控制。如果原子核發生衰變，則放出α粒子，觸動電子開關，鐵錘落下，砸碎毒藥瓶，釋放出其中的氰化鉀氣體，則貓必死無疑。

那鐵錘何時會落下呢？不知道，因為沒有人知道原子核何時衰變。所以只有打開盒子看一眼，才能確定這個貓是生是死。

在隨機論者看來，一個原子核是否衰變完全是一個隨機過程，永遠只能用概率來研究它，不能準確預測。

薛定諤是這么想的：按照哥本哈根學派的論調，在沒有觀測這個原子核之前，這個原子核處于各種可能狀態的疊加，也就是處于衰變和不衰變的疊加態。只要一觀察，這個疊加態就會突然發生坍縮，坍縮為衰變或不衰變。如此以來，箱子里的貓也處于死與活的疊加態。

貓怎么能處于既死又活的狀態呢？只能說哥本哈根學派的解讀是錯誤的。薛定諤在這里是用了歸謬法，來說明說明用隨機論解釋量子力學是錯誤的，至少是不完備的。

這就是原版的薛定諤貓。

（二）耶魯版薛定諤貓

為了讓大家把耶魯實驗與薛定貓對應起來，我這里搞一個耶魯版的薛定諤貓。

將盒子中電子開關的控制不再是一個放射性原子，而是一個人造超導原子，如果這個原子發生躍遷，則會觸動電子開關，釋放出氰化鉀氣體，貓咪肯定一命嗚呼。按照玻爾的說法，原子何時發行躍遷是完全不可預測的，因為它是隨機的。所以只有打開盒子的一瞬間，那個原子坍縮在躍遷或沒有躍遷的狀態，從而確定貓的死活，而沒打開盒子進行觀測之前，貓處于死活疊加態。

但是耶魯大學的實驗告訴我們，事情并非如此。因為在盒子之外有一種特殊的探測器，它可以在不打開盒子的情況下，提前收到盒子內原子發生躍遷的預警信號，從而知道貓還活著，但將要死亡，此時，耶魯人迅速打開將活貓拯救出來。甚至是在躍遷已經開始，鐵錘即將落下的緊要關頭，但耶魯人手持脈沖槍，一個電脈沖打過去，正好擊中盒子中的正在躍遷的原子，將其打回到了原始狀態。

那耶魯版的薛定諤貓說明了在沒有打開盒子之前，里面貓的死活也是可以知道的，而且可以預知鐵錘何時落下，打開盒子拯救這只貓，甚至就在鐵錘即將落下之時，可以逆轉這一進程，從而拯救盒子里的貓。

耶魯大學實驗結果，嚴重挑戰了量子隨機論，令決定論又見曙光。注意是挑戰，而不是推翻！

試想，如果玻爾還活著，他會在第一時間進行反駁，我能想象到的反駁方式是：

1）耶魯實驗只是短期預測，長期依然無法預測，而且這個預警信號何時出現是無法預測的，是完全隨機的，所以這個短期預測也是基于不可預測的隨機信號的，因此這個短期決定論最終還是受制于長期的隨機論。

就連耶魯論文的作者都說：“在某種程度上，原子的量子躍遷類似于火山爆發。”長期來看，它們是完全不可預測的。但如果通過正確的監測，我們可以確定地發現即將來臨的災難預警，并在災難發生之前采取行動。

現在問題再次回歸到玻爾與愛因斯坦之間，量子躍遷本身是隨機性的，還是決定論的？我想當下的人都不可能做出理性的判斷，只能以自己主觀傾向做出判斷。

但是對量子躍遷短期行為的準確預測，至少撬開了量子隨機論的一角，讓哥本哈根學派對量子力學的詮釋蒙上了一層重重的陰影。

再者，短期行為和長期行為是相對而言的。從預警信號到量子躍遷的實際發生，這一過程可以準確預測，那么在這一時段就是決定論，并不能因為無法預測預警信號何時發生而否定這一時段的決定論過程。

打個比方，如果有人已經構建出了一個完美的我們整個宇宙的決定論方程，也就是說一旦知道宇宙在某一瞬間初始狀態的完備知識，那么用這個方程就足以推斷它在未來任何瞬間的情況。結果你為了打擊這個決定論，你可以來個超長時段，將初始條件定在了宇宙大爆炸之前的瞬間，然后質問誰能預測宇宙為何在哪一刻爆炸了？當然預測不了，于是說之后的決定論過程也是基于宇宙大爆炸本身的隨機性，所以整個宇宙還是隨機論的。這種反駁方式，就有些不太合理。

我說的這一番話，不知道玻爾是否同意。

玻爾會如何反駁這個實驗結果的第二點就是：2）耶魯用的是人工超導原子，并非真正的原子。但這個反駁還是很弱，因為人造原子難道能超越自然規律嗎？除非玻爾能指出人造原子的躍遷根本和真正的量子躍遷不是一回事兒。

耶魯為啥不用真正的原子做實驗呢？因為真正的原子不好控制，不好收集信息。

玻爾內心最希望看到的是，耶魯實驗本身有問題，結果有差錯。但這種可能性實在太小了，畢竟是耶魯大學做的實驗，而且還在NATURE上發表了。更因為其實驗的觀測結果是與理論預測很吻合，如果實驗有差錯，怎么可能正好差錯到和理論預測正好一樣呢？除非耶魯故意作假。

所以，耶魯實驗挑戰了量子隨機論，觸動了哥本哈根詮釋的根基，為決定論展現了一絲曙光。