宏觀物體的退相干與量子宇宙的經典約化

量子理論認為,微觀物體具有完全不同於經典運動的量子行為。其典型特徵是所謂的波粒二象性(或稱量子相干性)：物質運動既具有干涉和衍射的波動行為，又可以用粒子特徵(位置和動量)在一定的精度內加以描述。可以說波粒二象性是量子物理學觀念的核心。

然而，宏觀物體是由大量滿足薛定諤方程的微觀粒子組成，但它們通常不具備量子相干的特徵。 也就是說，宏觀物體通常不存在長時間的相干疊加。這個問題可以歸結為所謂「薛定諤貓佯謬」[1]： 為什麼通常不存在死貓和活貓的相干疊加？ 20世紀50年代，玻恩和愛因斯坦在通信中也深入地討論了量子力學能否正確描述宏觀物體的自由運動的問題。20世紀80年代以後，一些理論物理學家如深入研究了這些問題。而最近人們已經開始通過實驗(如巴黎高師的腔QED實驗，美國國家標準局的冷卻離子實驗和維也納大學的C60實驗[2])，全面地檢驗這方面的各種觀點與結論。

理論上，可以用量子糾纏誘導量子退相干的觀點，對薛定諤貓佯謬和宏觀物體的空間定域化問題給出可能的物理解答。定性地說，宏觀物體所處環境的隨機運動，會與宏觀物體耦糾纏起來。 環境的每個組元的作用， 相當對宏觀物體集體自由度進行量子測量，從而環境粒子能夠記錄宏觀物體的「which-way」 信息。 隨著組元個數增多，與之相互作用的量子系統會出現所謂的波包坍縮或量子退相干，使得量子相干疊加名存實亡。從這一角度，Wigner 及 Joos和 Zeh研究了環境粒子在一些實際宏觀物體上的散射，展示了宏觀物體與散射粒子(真空光子，空氣的原子分子)量子糾纏產生的動力學。另一方面，依據Omnes 「內部環境」觀念， 文獻 [3]發展了量子退相干的因子化理論。它認為，組成宏觀物體的內部微觀粒子的個體無規運動，也會與宏觀物體的集體自由度耦糾纏起來。因此，即使把宏觀物體與其環境完全隔離開，量子退相干也會發生。這一觀點，有可能對量子宇宙的經典約化給出合理的解釋。

以上量子退相干導致量子系統趨向經典世界的論證，依賴於系統與外部系統的相互作用。但對於整個宇宙而言，通常不存在外部的觀察者(儀器)和環境，為什麼我們觀察著的宇宙是經典的？量子宇宙到經典世界的約化是這樣發生的？要回答這個問題，其要點在於描述宇宙時，不能只關注宇宙的「集體自由度」，而忽略了它內部的信息。這些相當於內部自由度的細節，雖然不改變宇宙「集體運動的狀態，但會與之糾纏起來，使之發生退相干。 Griffiths ，Omnes, Hartale和蓋爾曼等人曾深入地研究過這種「沒有觀察者」的量子宇宙退相干問題。他們借用了「退相干歷史」的(decoverence histories)概念[4]。其大意是: 整個宇宙是處於一個量子純態上，它描述了宇宙各個部分之間的彼此關聯，代表了完全精粒化的歷史(completely fine-grained histories)。然而，人們所關心和能夠「看到」的是一種粗粒化的歷史(very coarse-grained history)，它可以視為各種精粒化歷史的等價類，對於這些等價類而言，量子退相干就發生了。

以上討論啟發我們思考更基本的問題：既然經典力學是量子力學的極限，量子力學本身會不會是某種更精確理論的極限？以上關於經典力學是量子力學有效理論的想法是相當直觀的、但又十分深刻。 對複合系統的量子態通過某種「等價類」粗粒化，損失信息， 給出到經典物理的約化。緣此，我們可以重寫第二個問題的提法：量子態是否是一種更深物質層次上狀態的等價類，而量子力學恰如是某種更深層次理論在這些等價類上，通過損失信息衍生(emerging)的有效理論？最近，著名物理學家特·胡夫特(t』Hooft)從量子引力出發提出了這樣一種理論[5]，其正確與否有待於未來工作的考驗。一個理論的正確與否必須能夠通過實驗加以檢驗. 目前, 特.胡夫特理論預言了量子信息的極限。就量子計算而言，它限定了可進行有效因子化的最大數是104000。由於量子計算機尚未實際建造起來，在相當長的時間，人們不可能對此進行檢驗。應當指出，特·胡夫特理論還是相當初步的，但它對量子力學與引力結合的重要問題有深刻的啟發意義。因此，通過高能尺度的量子退相干理論的研究，有可能解決20世紀物理學這個懸而未決的問題，成為建立21世紀新理論的開端。

參考文獻

[1] Zurek H W, Phys.Today. 1991(及所引文獻).

[2] Arndt M et al. Nature, 1999, 14:401(及所引文獻).

[3] Zhang P, Liu X F, Sun C P. Phys. Rev. A 2002, 66: 042104 (及所引文獻).

[4] Gell-Mann M, Hartle J B, Phys.Rev. D 1993, 47: 3345.

[5] t Hooft G, Class.Quant.Grav. 1999, 16: 3263-3279.

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