量子力學隨機性被推翻了？只是一次失實而誇張的報導

作者：張文卓

編輯：Yuki

近日，一則名為“薛定諤的貓終於有救了，Nature 研究首次觀測到量子躍遷過程”的新聞報導刷屏。諸如“耶魯大學實驗推翻量子力學隨機性”“愛因斯坦又蒙對了”等等標題黨紛紛出現，仿佛戰無不勝的量子力學一夜之間陰溝翻船一樣，很多文青紛紛哀歎宿命論又回來了。然而，事實真的如此？還是報導偏差歪曲了論文本意？

什麽是量子力學隨機性？

咱們先搞懂量子力學的隨機性說的是什麽，再看看這篇論文做了什麽。

根據數理雙修的大師馮諾依曼的總結，量子力學有兩個基本的過程，一個是按照薛定諤方程確定性地演化，另一個是因為測量導致的量子疊加態隨機塌縮。薛定諤方程是量子力學核心方程，它是確定性的，跟隨機性無關。那麽量子力學的隨機性隻來自於後者，也就是來自於測量。

這個測量隨機性正是讓愛因斯坦最無法理解的地方，他用了“上帝不會擲骰子”這個比喻來反對測量隨機性，而薛定諤也假想了測量一隻貓的生死疊加態來反對過它。

但是無數的實驗證實，去直接測量一個量子疊加態，它的結果就是隨機在其中一個本征態上（概率為疊加態中每個本征態的系數模平方），這就是量子力學最重要的測量問題。為了解決這個問題，誕生了量子力學多個詮釋，其中主流的三個詮釋為哥本哈根詮釋、多世界詮釋和一致歷史詮釋。

哥本哈根詮釋認為，測量會導致量子態塌縮，即量子態瞬間被破壞，隨機跌到一個本征態上；多世界詮釋覺得哥本哈根詮釋太玄了，於是就搞了個更玄的，認為每一次測量就是世界的一次分裂，所有本征態的結果都存在，只是互相完全獨立（正交），干擾不到對方，我們只是隨機地在某一個世界當中；一致歷史詮釋引入了量子退相乾過程，解決了從疊加態到經典概率分布的問題。但是在選擇哪個經典概率上，還是回到了哥本哈根詮釋和多世界詮釋的爭論。

從邏輯上看，多世界詮釋和一致歷史詮釋的結合對解釋測量問題似乎是最完美的，多個世界組成一個總的疊加態，即保留了“上帝視角”的確定性，又保留了單一世界視角的隨機性。但物理學是以實驗為準的科學，這些詮釋預言了同樣的物理結果，相互之間不可證偽，那麽物理意義就是等價的，所以學術圈還是主要採用哥本哈根詮釋，即用塌縮（collapse）這個詞代表測量量子態的隨機性。

耶魯大學的論文說了什麽？

那麽我們再看看耶魯大學這篇Nature論文[1]做了什麽。先鋪墊一個量子力學知識，那就是量子躍遷是一個量子疊加態完全按照薛定諤方程演化的確定性過程[2]，即在基態|G>上的概率幅按照薛定諤方程連續地轉移到激發態|E>上，再連續地轉移回來，形成一個振蕩（頻率稱為拉比頻率），它屬於馮諾依曼總結的第一類過程。

這篇論文測的就是這樣一個確定性的量子躍遷，所以得到確定性結果毫無意外。文章的賣點在於怎樣不讓這個測量破壞掉原本的疊加態，或者怎樣讓量子躍遷不會因突如其來的測量而停止。這個也不是多麽神秘的技術，而是量子信息領域目前廣泛應用的“弱測量”方法。

我們來看這篇nature論文裡的實驗用到的能級圖，是一個三能級系統，|G>是基態，|D>是一個激發態，稱為暗態（不易受影響的態），|B>是亮態（易操作的態）。這個實驗用的是超導電路人工構建的三能級系統，信噪比相比真實的原子能級還要差很多。

上帝依然擲骰子

用一句話總結，這篇nature論文裡用了實驗技巧去弱測量一個確定性過程，主動避開了對這個過程能導致隨機結果的測量，一切都符合量子力學預言，對量子力學的測量隨機性沒任何影響。所以愛因斯坦沒翻身，上帝依然擲骰子。

這篇nature論文只是又一次驗證了量子力學的正確，為什麽會引起這麽大的誤解？這裡我不得不吐槽一下。這與作者們在摘要和引言裡立的錯誤靶子脫不了乾系。估計是為了製造大新聞，他們找到了玻爾在1913年提出的量子躍遷瞬時性的想法做靶子[3]，但這個想法早在1925年海森堡方程和1926年薛定諤方程提出（也就是量子力學正式建立）之後就被否定了，他們在論文裡也明確說了實驗其實驗證了薛定諤關於躍遷是連續確定演化的觀點。把玻爾搬出來，很可能是為了營造一個和愛因斯坦對立的效果，延續世紀論戰，多博取關注。但是在量子躍遷這個問題上，是玻爾最早的想法錯了，海森堡和薛定諤對了，不關愛因斯坦什麽事。

這篇論文的英文報導[4]的作者是Phillip Ball，他儘管寫過很多優秀的科學新聞，但這次大概是碰到了知識盲點，整個報導寫的也是故弄玄虛，沒抓到重點，還把海森堡拉去陪玻爾一起給瞬時躍遷背鍋（不知道海森堡方程和薛定諤方程實質等價嗎？）。然後中文媒體再翻譯過來，其它自媒體再自由發揮一通，就變成了科學傳播的“車禍現場”。

筆者幾年前在丹麥Aarhus大學物理系做博士後時（Aarhus物理系大概一百年前是從哥本哈根大學物理系——即現在的玻爾研究所分出來的，這樣也算和玻爾扯上點淵源），也做過一個監視超冷原子相變的量子弱測量實驗，可不敢像耶魯這個團隊這樣立靶子吹牛，文章後來發的很普通的英國物理學會雜誌。量子技術既然瞄準的是第二次信息革命，未來的應用才決定其價值，而不應該沾染為了發頂級期刊而嘩眾取寵的風氣。這樣做即使一時受寵，很快還是會被歷史埋沒。

作者名片

排版：凝音

題圖來源：Pexels