薛丁格的貓不再既死又活：科學家稱能預測粒子的量子躍遷行為
「薛丁格的貓」是量子物理學著名的思想實驗：在你打開一個密閉、裝有毒氣的箱子之前，裡面的貓有多種生存狀態，可能是死、也可能是活，只有打開箱子瞬間能得到答案，這同時也是量子躍遷的不可預測性。然而現在，耶魯大學科學家卻說，量子躍遷實際上並非隨機性「跳躍」，而是有跡可循的「滑行」，顛覆一直以來的量子認知。
量子躍遷（quantum jump）是量子物理學術語，指原子內的電子從某個軌道跳到另一個軌道的過程，這過程不連續，也就是說，不存在電子出現在兩個軌道之間的狀態。
所謂電子軌道，如同太陽系中八大行星於各自軌道繞著太陽運轉，地球不會跑到火星的軌道、火星也不會跑去其他行星的軌道，原子中的電子也類似行星一樣繞著原子核運行（只是並非同心圓軌道）。根據物理學家尼爾斯·波耳提出的波耳模型，電子運轉於原子內某一特定軌域，具有特定能級，距離原子核越遠的軌域，能級就越高，當電子從高能級軌域躍遷到低能級軌域時，會釋出能量；相反地，電子從低能級軌域躍遷到高能級軌域會吸收能量。
▲ 原子模型。（Source：pixabay）
薛丁格貓就是量子力學的思想實驗。把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子，當盒內監控器偵測到衰變粒子時，就會打破燒瓶殺死這隻貓。然而，在我們打開盒子之前，我們不知道放射性物質是否釋放、貓咪是死是活，只有打開盒子的剎那可知道貓是死是活，在此之前，活著的貓是基態，死亡的貓是激發態，貓咪處於生存與死亡的疊加態。
而在量子力學，核心理念就是粒子行為會變得「不可預測」，只有在觀察的瞬間可得到答案。微觀程度上，粒子將呈現離散狀態而非連續狀態，也就是說粒子會像跳樓梯隨機跳到另一種狀態，而不是順著斜坡有跡可循，在我們觀察一個粒子之前，粒子同時處於多種狀態，只在我們觀察的瞬間，粒子才立即陷入某種狀態。
然而耶魯大學一篇新研究表明，跳躍並非瞬間發生，實際更像滑行而不是跳躍，只是滑行速度快到我們以為是跳躍。論文第一作者 Zlatko Minev 表示，我們以為跳躍就像瞬間移動出現在我們觀察的那一刻，但當把時間放慢，情況立刻大不相同。
研究人員於實驗中利用一種特殊方法間接監測超導人造原子，當以微波輻射攪動原子並使其出現量子躍遷時，研究人員看到突然出現的光子，說明粒子即將躍入激發態，可當成量子跳躍前的預告。一旦量子跳躍，就會遵循相同路徑。團隊觀察了超過 680 萬次跳躍，模式都是一致的。
雖然「長期來看」仍有不可預測性，比如研究人員無法準確預測量子跳躍何時發生，可能是 5 分鐘後、也可能是 5 小時後， Zlatko Minev 形容這有點像火山爆發，無法預測何時會發生噴發災難，但是透過嚴密準確的監控，我們能確定某些現象，預警災難即將發生。
甚至若我們有能力介入，還能扭轉災難，如果拿薛丁格的貓來說──我們可在牠死亡之前介入干預救回牠。
量子跳躍的不可預測性會導致量子電腦計算時出現問題，如果量子跳躍不再隨機、而是可預測的行為，或讓量子電腦領域走上光明大道，雖然將研究整合到現有量子電腦前還有很多路要走。新論文發表在《自然》（Nature）期刊。
Physicists can predict the jumps of Schrödinger’s cat (and finally save it)
Physicists Have Finally Figured Out a Way to Save Schrödinger's Cat
（首圖來源：pixabay）