量子随机论遭遇挑战：耶鲁拯救薛定谔猫

六月初，耶鲁大学传出喜讯：他们推翻了多年以来量子物理学的一个基石，量子跃迁并非是随机的，而是确定的、可以预测的。这个实验结果正是我在《宇宙的规则：决定论or随机论》中所持有的立场。

欣喜之下，马上托群友找了耶鲁发表在NATURE上的原论文，硬啃了一遍。

该论文的标题是《捕获了一个量子跃迁、并且中途逆转了一个量子跃迁》

量子物理是用来解释测量中的两大基本特征：离散性（不连续性）和随机性。这些特征中的典型者就是玻尔针对一个原子的两个分立能级之间量子跃迁的看法。从实验上来讲，量子跃迁首先是这样被观测到的：在又强又连续的能量测量中，原子离子在一个确定的较弱的作用力驱动下，量子跃迁就被观测到了。普遍认为，这种不连续的量子跃迁发生的时间是不可预测的。那么，尽管量子物理具有非决定论的属性，是否有可能预先知道一个量子跃迁到底是发生还是不发生呢？这里，我们的回答是肯定的。实验结果展示：一个人造的超导三能级原子在沿着可预测的“航行”中，我们通过监控与基态相耦合的附属能级，可以实现对该原子从基态到激发态的量子跃迁的追踪。实验结果显示，完整的量子跃迁演化是连续的并且是确定的。考察这些特征以及运用实时监控和反馈，我们在中途捕获并逆转了量子跃迁。

要想了解耶鲁这次实验的重要意义，就先从量子跃迁的概念说起。到底什么是量子跃迁，科学本来对量子跃迁是如何认识的。

量子跃迁是量子化时代的产物。首先是普朗克提出了能量子的概念，认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hν，ν为辐射电磁波的频率，h就是普朗克常数。

随后，爱因斯坦又提出光量子假说，认为光和原子电子一样也具有粒子性，每个光量子的能量也是E=hν（别忘了麦克斯韦的话：光就是电磁波）。

在普朗克、爱因斯坦的带动下，量子化的时代开始了。所谓“量子化”，就是将一个本来视作连续的物理量重新认定为只能具有不连续的分离数值的过程。

玻尔为了挽救卢瑟福提出的原子太阳系模型，为了说明为何氢原子光谱是不连续的，拼凑出一套假设：

1）不连续能级：原子系统只能存在于一些不连续的能量状态中，比如E1，E2，E3，E4，每个状态都是稳定的状态。在这些状态中，电子绕原子核运动是不辐射能量的。只有当电子从高能级跃迁到低能级时，才会发射单色光，是所谓量子跃迁。

2）瞬间跃迁：量子跃迁的发生是瞬间的，它就不是一个过程。

3）不可预测性：一个电子会在哪一个时刻发生量子跃迁，这是永远无法预测的，我们只能计算出它在某个时刻发生跃迁的概率，但永远不知道它何时会发生跃迁，就连电子自己都不知道。

玻尔提出的量子跃迁，在后来的实验中不断得到证实，其理论也不断得到完善和补充。现在我大概说说目前的量子跃迁理论。

广而言之，量子跃迁就是微观粒子所发生的跳跃式变化：不连续且是瞬间的。电子被光照射，就可能从低能级跃迁到高能级，因为它吸收光子了。处于高能级的电子也会跳到低能级，同时会释放光子。电子这种没有中间过程的上蹿下跳就是一种典型的量子跃迁。

根据经典的量子理论，人类是无法预言电子自发跃迁的确切时刻，完全处于同样状态的电子，有的跃迁发生的早一些，有的晚一些，只能算出其跃迁的概率。按照量子随机论的观点，就是电子本身就是随机跃迁的，所以想要构建决定论的量子跃迁理论是徒劳无功的。

但是有些物理学家坚决不同意这种说法。耶鲁论文的第一句话就指出：玻尔在1913年构想了量子跃迁的理论，而薛定谔强烈反对量子跃迁的存在。薛定谔就是要用连续的波来替代量子的不连续性，确切地说，薛定谔就是想要否定量子理论的根基，哪里有什么量子化，世间万物的进程都是决定论的。

薛定谔尤其将矛头指向了量子跃迁，认为量子跃迁这种想法是一个奇特的幻想。所谓的量子跃迁，是渐变跃迁、还是突变跃迁？若是突变跃迁，其内在机制是什么？玻尔反唇相讥：我们不能想象微观世界的跃迁，但并不代表不存在量子跃迁。

在薛定谔的不断攻击下，玻尔、海森堡和玻恩构建了量子力学的哥本哈根诠释的三大支柱：玻尔提出互补原理，海森堡提出测不准原理，玻恩将薛定谔方程中的波函数解读为概率，确切地说波函数的平方就是一个事件发生的概率，为哥本哈根学派的雄起奠定了基础。玻尔硬生生地将本来是决定论的薛定谔方程一下子变成了随机论的概率性方程。

至于玻恩是如何将决定论的薛定谔方程转变为随机论的概率方程，这在我的新书《宇宙的规则》中有详细生动的解读（第61页到64页）。

第二节　随机论的兴起：量子力学

事实上，无论是牛顿、麦克斯韦的经典物理理论，还是爱因斯坦的相对论，都在告诉我们宇宙的未来是确定的，是决定论的。这样看来，在科学领域，决定论似乎牢不可破。但一个理论的横空出世，给了决定论致命的一击。

一、薛定谔方程及其概率解释

它就是传说中的量子力学，专门用来解释微观世界发生的事。因为牛顿的方程解读不了微观粒子行为，于是有人重新搞了一个方程，这就是大名鼎鼎的薛定谔方程。不过薛定谔自己搞出的方程，却不知道方程里的波函数代表什么物理量。所以有些人老是纠结，这量子力学的知识我看了不少科普读物了，怎么还是不明白呢？不过连薛定谔都对薛定谔方程没搞明白，我们也能放宽心了。

其实我们能搞懂，只要你继续读下去。

正当薛定谔尴尬于无法解释波函数之际，有一个牛人跳了出来，朗声说道：“我知道波函数的物理意义。”大家一看，原来是马克斯·玻恩，一个德国犹太人，此刻他的神情很诡秘，语调有点做作：“波函数代表概率。”一语激起千层浪，搞得薛定谔差点喷饭：“玻恩，你不要装神弄鬼，好好说话。”玻恩指着波函数继续说：“确切来说，波函数的平方就是一个粒子在时间t出现在x这一点上的概率。”

这个解释真是石破天惊。这意味着微观粒子的行为是由概率决定的，即粒子的行为是随机的，而不是决定论的。也就是说：上帝是在掷骰子。如此一来，微观世界的事就没有路数了，谁都不能确定某件事的发生，只能用薛定谔方程计算出这件事是否发生的概率。

玻恩这一番言论，让薛定谔震惊不已，也震怒不已，他表示强烈反对：“你玻恩怎么胡乱解释我的方程呢？我的方程我做主，这个波函数对应的不是概率。”玻恩反问：“那你说对应的是什么？”（薛定谔：“不知道，反正不是概率”）。

我们这些看客糊涂了，到底谁说的正确呢？当然是由实验结果来说话，结果是玻恩大获全胜。薛定谔狠狠地看着薛定谔方程“哼”了一句：你这个逆子，胳膊肘向外拐。

二、电子单缝衍射实验

实验到底怎么支持了玻恩的概率解释呢？让我们仔细看一个实验。

我们在中学时就知道，波具有干涉和衍射的现象。让一束光通过一个狭缝，就能产生出衍射图案，所以说光是一种波。再让电子通过一个狭缝，看看能不能在屏幕上打出衍射的图案。

想象一下，一个电子从左至右通过一个狭缝，然后落在远处的荧光屏上，并打出一个亮点；然后再让另一个完全相同的电子，再以完全一样的方式通过这个狭缝，然后也落在了同一个荧光屏上，也打出一个亮点，这个亮点和刚才那个电子的亮点是否重合呢？按照薛定谔方程也就是按照决定论的说法，这两个亮点应该重合。为啥？因为这两个电子完全一样，方式完全一样，也就是完全一样的因，又遵循完全一样的规律，当然应该有完全一样的果，所以两个亮点应该完全重合。但实际情况是，并不重合！

然后继续让同样的电子一个一个地通过狭缝，不断地在荧光屏上打出亮点，起初感觉这些亮点的分布是杂乱无章的，随着成千上万的电子不断通过狭缝，不断落在荧光屏上，规律开始展现了出来：荧光屏上开始呈现出明暗相间的条纹。明条纹就是电子落得比较致密的地方，而暗条纹就是电子落得比较稀疏的地方。这一切正合乎玻恩的预料，因为他刚才说了，波函数 ψ（x, t）的平方代表一个粒子在时间 t 出现在 x 这一点的概率。所以亮条纹就是电子出现概率大的地方，而暗条纹就是电子出现概率小的地方。这就是电子单缝衍射实验，明暗条纹就是衍射图案。

这个实验意味着真正的随机现象出现了。完全一样的电子，通过同一个狭缝，落在同一个荧光屏上，却落在了不同的位置。虽然每个电子落在哪个位置是无法确定的，但是可以计算出每个电子落在不同位置的概率。

难道微观粒子的行为真是随机的吗？决定论者无法接受这个观念，以我们的常识，我们也无法理解，如何反驳这个实验的解释呢？只有一条路，就是：那些成千上万完全一样的电子其实是有差异的，只不过我们还没有发现那个差异，正是这个没有发现的差异导致了它们通过狭缝后落在荧光屏的不同位置上。但这个反驳有点儿苍白，因为按照随机论的解释，也就是按照玻恩的解释，可以用薛定谔方程算出电子落点的概率，而决定论者只是在猜想这些电子是不是哪里有差异。

于是量子论的先驱厄尔斯·玻尔出来说话了：上帝是掷骰子。意思就是说，这个宇宙的规律是基于随机论的，而不是决定论。薛定谔对此坚决反对，他不相信上帝靠概率来运行世界，现在的一切应该决定未来，前因决定后果，这个信念怎能动摇？玻尔轻轻地拍了拍薛定谔的肩膀，说道：“看来薛定谔方程比你薛定谔要聪明啊。”

薛定谔的脸一下子就如少女般绯红，这也太令人尴尬了，自己搞出来的薛定谔方程，被玻恩解释成了概率，而且还特别符合实验结果。玻尔干脆断言上帝掷骰子，把薛定谔方程奉为神明，却视薛定谔若无物，世间之尴尬莫过于此。

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耶鲁大学的实验是基于一个理论，是由奥克兰大学Carmichael构建的量子理论——量子轨迹理论。Carmichael根据自己的理论，对量子跃迁做出了重大预测：原子从基态跃迁到激发态时，这中间的过程是连续演化的，而且在跃迁发生之前还存在一个“潜伏期”，这个潜伏期将为即将发生的量子跃迁提供一个警告信号。

这个预测是非常惊人的，尤其是量子跃迁之前会提供一个警告信号，意味着这个跃迁是否会发生，是可以提前知道，是可以准确预测的。

所谓原子的基态，就是原子处于最低能级——也就是电子在离核最近的轨道上运动的状态。

但是，一旦处于基态的原子受到外界的刺激，比如遭到光的照射，其电子就会被激发，跃迁到距离核较远的轨道上运动。同样，激发态的原子也可能会跃迁到基态。玻尔认为，跃迁何时发生是无法预测的，因为其本身就是随机的，我们只能计算其概率大小。但Carmichael的量子理论对玻尔的说法表示呵呵。

耶鲁大学的实验很不容易，因为观测量子跃迁特别困难。为什么呢？

因为只要一观测，本来处于基态和激发态相叠加的系统就会坍缩在基态或激发态了，最终只能证明玻尔说的是正确的：果然是瞬间且不连续的。此番耶鲁实验，是想观测原子自己发生量子跃迁的过程，而不是观测导致坍缩而造成的结果。

耶鲁大学的Minev为了观测基态与激发态之间是否发生了跃迁，他巧妙地引入了一个辅助能级，通过观测这个辅助能级，来判断基态与激发态之间是否发生跃迁。那这个辅助能级为何能反应出那两个能级之间发生的事儿呢？因为Minev让这个辅助能级与所要观测的基态之间发生了耦合，所以基态一旦有异常变化，这个辅助能级就会感受到，由此判断出基态是否发生了跃迁。

我来解释上图：耶鲁准备用第三方来监控两个能级之间的量子跃迁，这个第三方是一个辅助能级，所以耶鲁要面对的是一个三能级系统。原本要观测的两个能级是：一个基态能级G，一个黑态能级D，英语为什么要叫darklevel,因为实验专门把这个D态设计为不与任何测量装置相互作用，不与任何耗散环境相耦合，让D态保持在黑的状态，所以D态是否会跃迁到G态、或者G是否跃迁到了D态，这是它自己的作为，绝不会是观测所导致。这个黑态能级G当然是一种激发态。

另外还引入了辅助态能级B，也就是刚才所谓的第三方，它用来监控基态G与黑态D之间的跃迁，所以B态是可以观测的，又将之称为亮态。能级B也是一种激发态。

总结一下，能级系统有基态G，有黑态D，还有一个亮态B，亮态B是个辅助态，我们通过观测B来实现对基态G与黑态D之间跃迁的观测。

问题是为何观测B就能看出那两者之间是否发生跃迁了呢？因为通过一个很强的Rabi驱动，将基态G的状态与B的状态发生了关联，基态G的变化就能反应到B状态的变化，所以通过观测B就可以间接地观测到G是否发生跃迁。

总之，在这个三能级系统中，G是基态，黑态D和亮态B都是激发态，目标是想要知道G与D之间何时发生跃迁的，手段是直接观测G与B之间的跃迁，由此耶鲁实现了通过实时监测辅助态B从而追踪到基态G与黑态D之间的跃迁。

结果发现，系统状态在基态G和激发态D之间跃迁是连续演化的，而且在跃迁之前，总是会有一个潜伏期。在这个潜伏期期间，辅助态B会发出一个预警信号，这个信号就能预警即将来临的G与D之间的量子跃迁。

搞笑的是，这个预警信号竟然是没有信号，就是B通过不发出信号来进行了预警。就好比，一个人一天吃三顿饭，这算不上什么信号，但如果一个人从一天三顿饭突然变成不吃饭，这倒是给我们一个强烈的信号。

本来亮态B与基态G之间的跃迁是高频的，不停地跳，这样每当B跳到G时，就会有发出一个可以直接观测到的光子，而且耶鲁设计的是还能发成响声。正常情况下，每隔几微秒就要咔嗒一声，这意味着亮态B与基态G之间在正常地跃迁。但是实验发现，过了几百微秒左右，这个咔嗒声突然就没了，会中断大约100微秒，这就意味着基态G与黑态D之间的跃迁即将发生。换句话说，G与D之间的跃迁是可以提前预测的。

最终的实验结果表明：量子跃迁既不是突然的、也不是随机的，而是每一个跃迁都具有连续且确定的演化，与玻尔的设想截然不同。但是却与量子轨迹理论惊人的吻合，完全符合该理论对实验结果的预言。

尤其令玻尔不可想象的是，耶鲁还能在量子跃迁已经开始后，对这个跃迁进行拦截，让它再返回基态。之所以能这样做，就是因为量子跃迁不是瞬间的，是需要时间的，是一个连续的演化过程，这个过程大概需要4微秒。所以，就有可能在这4微秒中之内搞些事情，来改变原本的跃迁趋势。事实上，耶鲁研究者就在跃迁刚刚开始后，用一个电脉冲击中原子, 不但终止了它向黑态G跃迁的趋势，而且将其打回原本的基态G。

总之，量子跃迁是有的，但绝不是玻尔想象的那种跃迁，而是一步一个脚印连续地走过来的。

因为这个实验结果太惊人，耶鲁大学专门为此发了一个新闻稿，声称他们拯救了薛定谔猫。表面上这个实验与薛定谔猫毫无关联，实际上是极为关联的，耶鲁新闻稿不是胡扯淡的。

薛定谔猫是一个思想实验——目的就是为了打击随机论，打击哥本哈根学派对量子力学的阐释。《宇宙的规则》第69页有详细的展开，这里略讲：

想象一下，将一只猫密封在一个盒子里，盒子里有一个毒药瓶，氰化钾密封在毒药瓶里。毒药瓶上有一个铁锤，铁锤由一个电子开关控制，而电子开关又由一个放射性原子控制。如果原子核发生衰变，则放出α粒子，触动电子开关，铁锤落下，砸碎毒药瓶，释放出其中的氰化钾气体，则猫必死无疑。

那铁锤何时会落下呢？不知道，因为没有人知道原子核何时衰变。所以只有打开盒子看一眼，才能确定这个猫是生是死。

在随机论者看来，一个原子核是否衰变完全是一个随机过程，永远只能用概率来研究它，不能准确预测。

薛定谔是这么想的：按照哥本哈根学派的论调，在没有观测这个原子核之前，这个原子核处于各种可能状态的叠加，也就是处于衰变和不衰变的叠加态。只要一观察，这个叠加态就会突然发生坍缩，坍缩为衰变或不衰变。如此以来，箱子里的猫也处于死与活的叠加态。

猫怎么能处于既死又活的状态呢？只能说哥本哈根学派的解读是错误的。薛定谔在这里是用了归谬法，来说明说明用随机论解释量子力学是错误的，至少是不完备的。

为了让大家把耶鲁实验与薛定猫对应起来，我这里搞一个耶鲁版的薛定谔猫。

将盒子中电子开关的控制不再是一个放射性原子，而是一个人造超导原子，如果这个原子发生跃迁，则会触动电子开关，释放出氰化钾气体，猫咪肯定一命呜呼。按照玻尔的说法，原子何时发行跃迁是完全不可预测的，因为它是随机的。所以只有打开盒子的一瞬间，那个原子坍缩在跃迁或没有跃迁的状态，从而确定猫的死活，而没打开盒子进行观测之前，猫处于死活叠加态。

但是耶鲁大学的实验告诉我们，事情并非如此。因为在盒子之外有一种特殊的探测器，它可以在不打开盒子的情况下，提前收到盒子内原子发生跃迁的预警信号，从而知道猫还活着，但将要死亡，此时，耶鲁人迅速打开将活猫拯救出来。甚至是在跃迁已经开始，铁锤即将落下的紧要关头，但耶鲁人手持脉冲枪，一个电脉冲打过去，正好击中盒子中的正在跃迁的原子，将其打回到了原始状态。

那耶鲁版的薛定谔猫说明了在没有打开盒子之前，里面猫的死活也是可以知道的，而且可以预知铁锤何时落下，打开盒子拯救这只猫，甚至就在铁锤即将落下之时，可以逆转这一进程，从而拯救盒子里的猫。

耶鲁大学实验结果，严重挑战了量子随机论，令决定论又见曙光。注意是挑战，而不是推翻！

试想，如果玻尔还活着，他会在第一时间进行反驳，我能想象到的反驳方式是：

1）耶鲁实验只是短期预测，长期依然无法预测，而且这个预警信号何时出现是无法预测的，是完全随机的，所以这个短期预测也是基于不可预测的随机信号的，因此这个短期决定论最终还是受制于长期的随机论。

就连耶鲁论文的作者都说：“在某种程度上，原子的量子跃迁类似于火山爆发。”长期来看，它们是完全不可预测的。但如果通过正确的监测，我们可以确定地发现即将来临的灾难预警，并在灾难发生之前采取行动。

现在问题再次回归到玻尔与爱因斯坦之间，量子跃迁本身是随机性的，还是决定论的？我想当下的人都不可能做出理性的判断，只能以自己主观倾向做出判断。

但是对量子跃迁短期行为的准确预测，至少撬开了量子随机论的一角，让哥本哈根学派对量子力学的诠释蒙上了一层重重的阴影。

再者，短期行为和长期行为是相对而言的。从预警信号到量子跃迁的实际发生，这一过程可以准确预测，那么在这一时段就是决定论，并不能因为无法预测预警信号何时发生而否定这一时段的决定论过程。

打个比方，如果有人已经构建出了一个完美的我们整个宇宙的决定论方程，也就是说一旦知道宇宙在某一瞬间初始状态的完备知识，那么用这个方程就足以推断它在未来任何瞬间的情况。结果你为了打击这个决定论，你可以来个超长时段，将初始条件定在了宇宙大爆炸之前的瞬间，然后质问谁能预测宇宙为何在哪一刻爆炸了？当然预测不了，于是说之后的决定论过程也是基于宇宙大爆炸本身的随机性，所以整个宇宙还是随机论的。这种反驳方式，就有些不太合理。

玻尔会如何反驳这个实验结果的第二点就是：2）耶鲁用的是人工超导原子，并非真正的原子。但这个反驳还是很弱，因为人造原子难道能超越自然规律吗？除非玻尔能指出人造原子的跃迁根本和真正的量子跃迁不是一回事儿。

耶鲁为啥不用真正的原子做实验呢？因为真正的原子不好控制，不好收集信息。

玻尔内心最希望看到的是，耶鲁实验本身有问题，结果有差错。但这种可能性实在太小了，毕竟是耶鲁大学做的实验，而且还在NATURE上发表了。更因为其实验的观测结果是与理论预测很吻合，如果实验有差错，怎么可能正好差错到和理论预测正好一样呢？除非耶鲁故意作假。

所以，耶鲁实验挑战了量子随机论，触动了哥本哈根诠释的根基，为决定论展现了一丝曙光。