薛定諤的貓既死又活？最新實驗證明：量子芝諾效應可讓它一直活

薛定諤的貓是量子力學著名思想實驗，藉以說明量子疊加態的幽靈存在：一隻貓被關在盒子里，裡面還有一套精巧的裝置連著一個原子，如果原子衰變，則裝置啟動，打碎一個裝著毒氣的瓶子，貓就會死去；而原子不衰變的話，貓就會一直活著。問題是原子的衰變是隨機的，在打開盒子之前，我們永遠不會知道貓是死是活，所以我們就說貓處於一種既死又活的疊加態中，這就把微觀的量子屬性轉移到宏觀物體上來了。

現在你是一個愛貓人士，你想拯救這只可憐的貓，保證它不會死去，你該怎麼辦？換句話說，我們要阻止這顆不知道會在什麼時候衰變的原子衰變，要怎麼樣才能做到？

怎麼看好像都沒有辦法，因為衰變是隨機發生的。但量子芝諾效應卻讓我們可以把原子凍結在它的初始狀態，讓這只可憐的貓戰戰兢兢地活著。這個效應說，如果我們持續觀測一個不穩定的粒子，它的衰變時鐘就會不斷重置，它的波函數就不會坍縮，它也就不會衰變了，我們可以用高頻率的觀測來把它凍結在初始狀態。

量子芝諾效應起源於古希臘經典的芝諾悖論：一支飛行中的箭在任意一個時刻都在空中有固定的位置，是所有靜止的箭的集合，所以它不可能處於運動狀態。把芝諾悖論運用到量子上，那就是說只要我們用足夠高的頻率來觀測這顆原子，它就不會衰變永遠保持其初始狀態；只要我們一直不間斷地窺視這隻貓，它就不會被毒氣殺死！真是一個奇談怪論。

但還有更奇怪的。在實驗室觀察到真實原子的量子芝諾效應後，科學家又發現了反芝諾效應，頻繁測量也可能會導致衰變加速，更快地殺死貓。究竟是什麼原因導致了這樣的結果呢？

原子衰變的速率取決於給定能量下可能的能量狀態或者說電磁模式的密度，為了使原子衰變，必須把光子發射到這些模式之一。更多的模式意味著更多的衰變方式，導致更快的衰變。而對原子的測量干擾了能量水平，在適當的能量水平上測量，電磁模式減少，衰變變慢，導致芝諾效應；或者電磁模式增加，導致反芝諾效應。也就是說，這一解釋的真正意義是，是干擾而不是波函數坍縮導致了量子芝諾效應。

測量的目的是獲取貓是死是活的信息，但系統與環境是緊密相連的，測量行為必然會影響到量子系統。美國聖路易斯華盛頓大學凱特·默奇領導的一個研究小組一直在使用一種被稱為「量子位」的人造原子來研究這個問題，他們設計了一個實驗，以確定信息和干擾在芝諾效應中的作用。實驗中研究人員以特定能量為中心的光子熱浴來降低或增加人造原子可用電磁狀態的密度，然後使用標準測量法每微秒檢查一次原子的狀態。

實驗表明，當光子熱浴以與原子躍遷能量相同的能量為中心時，測量的干擾減少了躍遷能量處的平均電磁模式數量，減慢了衰減；當光子熱浴以與原子躍遷能量不同的能量為中心時，測量增加了原子可用的電磁模式數量，加速了衰減。

但如果系統只受到干擾，卻沒有把信息傳遞給外部世界，比如說我們僅僅搖動了盒子，並不把盒子打開去看這隻貓是死是活，又會發生些什麼呢？研究人員又設計了一種新的測量相互作用的方式，可以干擾原子，但卻對它的狀態一無所知，他們稱之為「准測量」。結果表明，這樣的測量同樣導致了量子芝諾效應。科學家們認為，這種新的認識可能會產生新的控制量子系統的方法。同時他們也認識到，相對論的質量變化是磁感應的結果，引力也是基於電磁力的，從而可以得到一個所有四種相互作用的統一相對論量子理論。

這項研究發表在6月14日的《物理評論快報》。

論文：https://arxiv.org/pdf/1703.08371.pdf

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