量子力學是迄今為止人類認識最深刻的物理規律之一,就普通人而言,你可能覺得量子力學離自己很遠,但事實上我們每個人都離不開量子力學。
就比如此時此刻你閱讀寫這篇文章所使用的智慧手機就與量子力學有著密切的關係,因為如果沒有量子力學,無論是觸控式螢幕還是WIFI,都不可能存在,現代醫學更是會倒退超過一個世紀。雖然量子力學給我們的世界帶來了如此之多的改變,但反對量子力學的人也是為數眾多,有很多科學家都試圖尋找到某種理論來推翻量子力學,其中也包括我們所熟悉的愛因斯坦。
那麼為什麼為有這麼多人反對量子力學呢?這是由量子力學難以理解的基礎性質所決定的。量子力學的兩個核心就是能級分立與隨機躍遷。就是說原子的電子存在著不同的能級,如基態、第一激發態、第二激發態,電子可以從基態躍遷至激發態,也可以從激發態躍遷回來,但不可能出現在基態與激發態之間的位置,這就是能級分立。
再者,你無法得知電子何時處於基態,何時會處於激發態,也不知道它會躍遷到第一激發態還是第二激發態,這完全是隨機的,這既是量子力學所講的隨機躍遷。
愛因斯坦認為上帝不擲骰子,認為物理不會是完全隨機的,電子躍遷的隨機性是因為存在著某些我們還不知道的隱變數,如果我們知道了這些隱變數,則能夠確定電子的位置。愛因斯坦的說法至今沒有任何證據,所以不對量子力學構成任何威脅。奧地利物理學家薛定諤用一個有趣的方式對量子力學的特性進行了描述,也就是我們熟知的“薛定諤的貓”。
一隻貓位於一個封閉的箱子裡,箱子中有一個毒氣瓶和一把受開關控制的錘子,而開關又由放射性元素控制,當放射性元素髮生衰變則會觸動開關,打碎瓶子,於是貓死亡,若放射性元素未衰變,則貓存活。
衰變是隨機發生的,隨意只要沒有開啟箱子,就無法得知貓是死是活,所以箱子裡的貓始終處於一種“既死又活”的疊加態。這隻貓頗為可憐,所以一直都有物理學家試圖拯救它,那麼這隻貓能夠被拯救嗎?現在看來是可以的。而拯救者就是耶魯大學的科研人員,他們進行了一個實驗,我們就稱之為耶魯實驗。科學家們運用某種方法制造了一個擁有三個能級的“人造原子”,三個能級由低到高分別為:Ground、Dark、Bright。電子可以在Ground與Dark之間發生躍遷,也可以在Ground與Bright之間發生躍遷。
我們知道在量子力學中是無法直接去測量電子處於哪個能級,因為一測量,結果就會改變,就如同那隻貓,一開啟箱子,它就會坍縮為“死”或“活”的其中一種狀態。
雖然我們不能直接去測量Ground與Dark之間的量子躍遷,但是可以透過輸入電磁波的方式測量Ground與Bright之間是否發生躍遷,一旦Ground與Bright之間發生了躍遷,那麼Ground與Dark之間則不可能發生躍遷,反之,如果Ground與Bright之間沒有發生躍遷,那麼則說明電子在Ground與Dark之間躍遷。由於量子的隨機躍遷在時間上具有階段特徵,所以透過測量就發現在一段時間之內,電子在Ground與Bright之間反覆躍遷,之後會相隔較長的一段時間,然後電子又會在Ground與Bright之間反覆躍遷,而相隔較長的這段時間就是電子在Ground與Dark之間躍遷的時段。
根據這個測量結果,我們可以預先判斷電子是否將要在Ground與Dark之間發生躍遷,因為一旦Ground與Bright之間的躍遷相隔了一段時間沒有再次發生,我們就可以知曉Ground與Dark之間的躍遷已經開始,而在之後一段時間之內,仍會是Ground與Dark之間的躍遷。
既然我們可以對量子躍遷進行預測,那麼我們也就可以拯救那隻貓了,因為我們完全可以在預測貓進入活的階段時開啟箱子,然後就可以確保貓坍縮為“活”的狀態。薛定諤的貓能夠被拯救是不是代表量子力學被推翻了呢?並不是,要推翻量子力學必須要推翻量子力學的兩個基礎之一,能級分立或隨機躍遷。而耶魯實驗並沒有推翻量子的隨機躍遷,我們仍然不知道Ground與Dark之間的躍遷會從何時開始,我們只是在躍遷開始以後才知道的,並且做出未來一段時間仍將繼續發生躍遷的預警。而預警與預測是兩回事,比如我們在沒有發生火災的時候就提前知道下午5點會發生火災,這個叫做預測。我們在已經著火之後才拉響警報,讓大家逃跑避免火勢擴大危及生命,這個叫做預警。火災不可預測,因為它是隨機的,量子躍遷也是一樣。