最新实验证明：量子芝诺效应可让薛定谔的猫一直活

薛定谔的猫是量子力学著名思想实验，借以说明量子叠加态的幽灵存在：一只猫被关在盒子里，里面还有一套精巧的装置连着一个原子，如果原子衰变，则装置启动，打碎一个装着毒气的瓶子，猫就会死去；而原子不衰变的话，猫就会一直活着。问题是原子的衰变是随机的，在打开盒子之前，我们永远不会知道猫是死是活，所以我们就说猫处于一种既死又活的叠加态中，这就把微观的量子属性转移到宏观物体上来了。

现在你是一个爱猫人士，你想拯救这只可怜的猫，保证它不会死去，你该怎么办？换句话说，我们要阻止这颗不知道会在什么时候衰变的原子衰变，要怎么样才能做到？

怎么看好像都没有办法，因为衰变是随机发生的。但量子芝诺效应却让我们可以把原子冻结在它的初始状态，让这只可怜的猫战战兢兢地活着。这个效应说，如果我们持续观测一个不稳定的粒子，它的衰变时钟就会不断重置，它的波函数就不会坍缩，它也就不会衰变了，我们可以用高频率的观测来把它冻结在初始状态。

量子芝诺效应起源于古希腊经典的芝诺悖论：一支飞行中的箭在任意一个时刻都在空中有固定的位置，是所有静止的箭的集合，所以它不可能处于运动状态。把芝诺悖论运用到量子上，那就是说只要我们用足够高的频率来观测这颗原子，它就不会衰变永远保持其初始状态；只要我们一直不间断地窥视这只猫，它就不会被毒气杀死！真是一个奇谈怪论。

但还有更奇怪的。在实验室观察到真实原子的量子芝诺效应后，科学家又发现了反芝诺效应，频繁测量也可能会导致衰变加速，更快地杀死猫。究竟是什么原因导致了这样的结果呢？

原子衰变的速率取决于给定能量下可能的能量状态或者说电磁模式的密度，为了使原子衰变，必须把光子发射到这些模式之一。更多的模式意味着更多的衰变方式，导致更快的衰变。而对原子的测量干扰了能量水平，在适当的能量水平上测量，电磁模式减少，衰变变慢，导致芝诺效应；或者电磁模式增加，导致反芝诺效应。也就是说，这一解释的真正意义是，是干扰而不是波函数坍缩导致了量子芝诺效应。

测量的目的是获取猫是死是活的信息，但系统与环境是紧密相连的，测量行为必然会影响到量子系统。美国圣路易斯华盛顿大学凯特·默奇领导的一个研究小组一直在使用一种被称为“量子位”的人造原子来研究这个问题，他们设计了一个实验，以确定信息和干扰在芝诺效应中的作用。实验中研究人员以特定能量为中心的光子热浴来降低或增加人造原子可用电磁状态的密度，然后使用标准测量法每微秒检查一次原子的状态。

实验表明，当光子热浴以与原子跃迁能量相同的能量为中心时，测量的干扰减少了跃迁能量处的平均电磁模式数量，减慢了衰减；当光子热浴以与原子跃迁能量不同的能量为中心时，测量增加了原子可用的电磁模式数量，加速了衰减。

但如果系统只受到干扰，却没有把信息传递给外部世界，比如说我们仅仅摇动了盒子，并不把盒子打开去看这只猫是死是活，又会发生些什么呢？研究人员又设计了一种新的测量相互作用的方式，可以干扰原子，但却对它的状态一无所知，他们称之为“准测量”。结果表明，这样的测量同样导致了量子芝诺效应。科学家们认为，这种新的认识可能会产生新的控制量子系统的方法。同时他们也认识到，相对论的质量变化是磁感应的结果，引力也是基于电磁力的，从而可以得到一个所有四种相互作用的统一相对论量子理论。

这项研究发表在6月14日的《物理评论快报》。

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

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