我想讓薛定諤的貓活得更久，便晃動了它的盒子...

轉載自「原理」微信公眾號

英文有句諺語：A watched pot never boils...對應中文的意思是「心急水不開」。而從科學的角度來看，這句話的字面直意思——「看壺煮水水不沸」似乎更有意思。在現實世界中，壺中的水能否被煮沸與你看不看它沒有關係。但如果現在物理學家告訴你，被看著的壺水能更快煮沸，你會不會覺得荒謬呢？然而在量子世界里卻是可能真實發生的，如果我們把觀測的對象換成了不穩定的原子時，「看與不看」它真的可以導致區別。

根據量子力學的哥本哈根解釋，我們無法得知一個原子的確切屬性，直到對其進行測量。從這延伸出的思想實驗薛定諤的貓，就是這樣一隻不能確定是死是活的倒霉的貓。

也許你們都聽過關於它的故事：

它被裝在一個盒子里，除了它以外，盒子中還有一個充滿有毒氣體氰化氫的玻璃燒瓶，和一些放射性物質。倘若盒子里的放射性原子發生了衰變，裝有氰化氫的燒瓶就會被打碎，氰化氫揮發導致貓隨即死亡；如果放射性物質沒有衰變，則不會觸發打碎燒瓶的裝置，貓能繼續存活。我們不能測量原子是否衰變，因而無法判斷貓的生死，除非打開盒子去看。對盒子進行觀測的行為會使得波函數(量子態的數學描述)坍縮，貓從疊加態變為一個非死即活的確定態。

這是大家熟悉的薛定諤貓的故事，但這個故事並沒有就此結束。有一種說法，如果你打開盒子觀察貓的頻率高到一秒鐘看幾千次，就能無限期的延後貓的死亡；又或者反過來加速貓的死亡。這種延遲被稱為量子芝諾效應，加速則稱為量子反芝諾效應。

思想實驗的提出

量子芝諾效應最先由艾倫•圖靈在1958年作為思想實驗提出，因此也被稱為圖靈悖論，以希臘哲學家芝諾所構想的箭矢悖論命名。箭矢悖論說：在任意時刻，一支飛行中的箭矢在空中都有其確定位置，因而它是靜止的；但箭矢飛達每一時刻的確定位置是需要動能的，所以箭矢又必然處於運動狀態。

1974年，有科學家提出一個疑問：一個不穩定量子系統的生命周期是由測量決定的嗎？這個問題成了現在我們談論的量子芝諾效應，即如果我們對一個不穩定的原子進行持續性的觀測，是否對其衰變產生影響？到1977年，才出現對這個問題進行比較詳盡的描述：如果我們可以連續地測量一個不穩定原子以觀察它是否仍然處於初始狀態，則始終能發現該原子處於初始狀態。

芝諾效應最初的解釋是，對處於激發態的原子進行測量，會使它回到激發態，並將其衰變時鐘重設。因此，如果一個原子被頻繁的測量，它將永遠不會衰減到較低的能級狀態，而是被「凍結」在激發態。

到1989年，這一現象第一次在實驗室中實現。

到了1997年，反芝諾效應也被提出，它告訴我們頻繁的對一個放射性原子核進行測量也可能加速它的衰變。事實上，反芝諾效應在自然界中更為常見。例如，對放射性原子核進行頻繁測量會加速其釋放輻射。

量子芝諾效應

量子芝諾和量子反芝諾效應都是真實存在的，並可發生在真實原子上。但它們的運作機制是怎樣的呢？測量使如何延遲或加速放射性原子的衰變呢？什麼又是「測量」呢？問題的第一個關鍵在於如何理解「測量」。

物理學家的答案是，當測量一個量子系統以獲得信息時，系統必須與環境產生一小段時間的強烈耦合，與環境的強耦合過程意味著測量行為必然會對量子系統產生干擾。例如對一個放射性原子進行測量時，若要想從中獲得信息我們需要先與它自身的一些信息進行相互作用。在這個過程中，原子所擁有的多重可能態會坍縮成單一的確定態。

那麼接下來我們要問的是：坍縮是導致量子芝諾效應的原因嗎？換句話說，如果量子系統只是受到干擾，並沒有向外傳送任何信息，也就是原子沒有坍縮成某一確定態，在這種情況下，原子仍能表現出芝諾(延遲衰變)或反芝諾效應(加速衰變)嗎？

這便是聖路易斯華盛頓大學的物理學教授Kater Murch和他的團隊近期在《物理評論快報》上發表的實驗。他們設計了引發(反)芝諾效應的實驗，並從中確定了干擾在激發這一效應中所起的作用。

最新實驗結果

為了測量量子芝諾和量子反芝諾效應是否由信息傳遞(坍縮)造成，Murch和他的同事使用了一種被叫做「量子位元」的人造原子對這些問題進行探索。這些人造原子的屬性和行為與原子相同，擁有多種不同的能態。Murch說： 「原子衰變率取決於在給定能量下所擁有的可能的能態的密度，這些可能的能態被稱為電磁模(electromagnetic modes)。若一個原子要衰變，它必須在它所擁有的某一個電磁模上放出一個光子。因此電磁模越多意味著原子的衰變途徑也越多，從而加速衰變。」同理，越少的電磁模導致原子衰變的途徑越少，因此延緩衰變。

而物理學家也發現，測量行為會對原子的能級造成干擾，這種干擾可能減少可用的電磁模，導致量子芝諾效應；也可能增加可用的電磁模，導致量子反芝諾效應。

研究人員使用以某一特定能量值為中心的光子熱浴來增加或減少人造原子可用的電磁模的密度。再使用標準測量法，以每秒100萬次的頻率對原子的能態進行測量。

當光子熱浴的能量的中心值與原子的躍遷能相同時，測量導致的干擾會減少平均電磁模的數量，減緩衰變；當光子熱浴的中心能量值不同於原子躍遷能時，測量會增加原子可用的電磁模的數量，從而加速衰減。Murch說：「這種測量方法讓我們第一次在同一個量子系統中觀察到兩種量子芝諾效應。」

為了研究測量行為在量子(反)芝諾效應中的作用，他們設計了一種新型的測量方式。這種測量能只會在與原子相互作用過程中，對原子的量子狀態產生干擾，但卻不會從測量中得到任何信息，他們稱這種測量方法為「准測量」。

那麼准測量也會引起量子芝諾效應嗎？ 若根據量子芝諾效應早期的解釋來說，答案應該是否定的，因為沒有發生能讓原子回到激發態的坍縮事件；但若根據電磁模的密度改變一說，似乎又預示著即便准測量方法中坍縮沒有發生，仍能引起量子(反)芝諾效應。

Murch說：「在實驗前我們完全不確定結果會是什麼，但是從不斷收集到的數據，最終證實——准測量與常規測量相同，一樣會引發量子(反)芝諾效應。因此我們確認導致量子(反)芝諾效應的不是波函數的坍縮，而是測量行為中的干擾。」

Murch進一步解釋道：「測量的目的是為了獲取和系統相關的信息，但測量行為會對系統造成不可避免的干擾，因此測量不僅意味著獲取信息，同時也意味著干擾信息。」對測量行為在量子力學中的本質有新的理解，有助於我們找到控制量子系統的新方法。

那這個結論對薛定諤盒子里的那隻貓又意味著什麼呢？量子芝諾效應說，如果我們頻繁的打開盒子檢查貓的狀態，便能不斷重設原子的衰減時鐘，貓就能活得更久；量子反芝諾效應說，頻繁的檢查會加速原子的衰變，導致貓更快的死亡。換句話說，貓的性命取決於受哪種量子芝諾效應的影響。研究員帕特里克•哈靈頓說：「由於量子(反)芝諾效應只與干擾有關，獲不獲取信息並不重要，因此我們甚至不需要打開盒子觀察，只需輕輕地晃動盒子產生干擾，就能得到同樣的效果了。」

參考鏈接：

【1】https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.240401

【2】https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02731351

【3】http://tf.nist.gov/general/pdf/858.pdf

【4】https://www.sciencealert.com/it-s-possible-to-keep-schroedinger-s-cat-alive-without-ever-opening-the-box

【5】https://www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170616083437.htm