如今的量子力學正在研究啥

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量子理論常常違反我們的直覺。相信大多曾對物理感興趣的同學都能體會到這一點。大眾普及版的量子力學中，現實就像一會兒是「粒子」一會兒是「波」的東西組成的瘋人院。瘋子們互相用「幽靈般的」方式交流著，直接打破了我們對於時空的傳統認識。我們總覺得世界是由有形的、離散的物體構成——路邊的樹、房前的狗、面前的桌子——他們有著客觀的性質，並且是大家公認的性質。而在量子力學的框架里可以明確定義的、經典的物體概念好像不復存在了。聽著是挺荒謬的吧？備受崇敬的物理學家費曼也說過類似的話，「我希望你能接受大自然，她就是如此的——荒唐。」

首先要說的是，大眾中流行的關於量子力學的圖像都是錯的。實際上，量子理論不會去說「粒子」變成「波」這樣的話，或是搞得粒子像幽靈一樣。嚴格一點來說，量子理論也沒說過經典物體就不存在了。它不僅沒有否認經典物體的存在，反而是對「物體為什麼存在」給出了一個有意義的回答。在很多重要的方面，量子理論的現代表述恰恰解釋了那些所謂常識的所以然。當然你也可以說，我身高超過一米四，不用像粒子一樣考慮那些量子效應，量子力學對生活也沒啥太大影響。可實際上，我們的世界包括我們的知覺都是以量子理論為基礎的。

既然如此，為啥感覺我們現在一聊起量子力學就說它違反邏輯，搞得玄之又玄呢？追根溯源，我們得怪到丹麥物理學家尼爾斯·玻爾的頭上了。在參與建立量子力學的先驅之中，玻爾是最深刻的思想者之一，他的直覺通常很準確。但在1920~1930期間，他在量子和經典世界之間挖了一條深壑。他說，兩個世界遵循的基本原理全然不同，而我們只能默默接受。

格陵蘭印製了1963枚郵票，紀念丹麥著名物理學家玻爾 credit:123RF

按玻爾的說法，量子力學沒有告訴我們世界是怎樣的，而只能告訴我們做實驗測量的時候會發現什麼。理論基於的數學工具所描述的是各種可能結果的概率。當我們進行測量的時候，獲得的只是其中一個結果，這其中暗含的一點是：大自然做選擇是隨機的。量子世界是隨機的(概率的)，然而經典世界(就是測量進行的地方)只包含特定的結果(確定的)。其中奧妙何在呢？這時玻爾告訴你，哦，本來就是這樣的，別指望量子力學能給出更深刻的答案了。它已經告訴我們可能看到什麼了，再要強求什麼呢？

玻爾的「哥本哈根詮釋」(哥本哈根學派，玻爾於1921年創立的物理研究所)並沒有明確指出經典物理和量子物理之間的矛盾，但暗含了兩者的不兼容。為了修補這一點，玻爾提出了所謂「互補性原理」。即：量子世界和經典世界是現實互補的兩面，一面是我們熟悉的世界，另一面是量子的天下，二者不可得兼——至少，不能同時出現。

承認互補性原理對許多物理學家來說是艱難的妥協，因為這不僅僅規避了現實本質的問題，而是終結了這個問題。不過，互補性原來也指出了問題旳癥結所在：所謂的「測量」操作到底是什麼。物體好像可以通過測量從「概率」變成「東西」——具有了確定的狀態、位置、速度等各種性質。換句話說，理解反直覺的量子世界如何讓路給我們的常識經驗，融合量子和經典觀念的關鍵就是建立一個描述測量的理論。至於這一點則已經困擾科學家們許久了。

如今我們對此已經有了解釋，雖然還未臻至完美，去除量子理論中顯然的奇怪之處。但它足以讓我們理解量子原理如何構建起經典經驗世界，驅除之前的困惑而不必向互補性原理妥協。量子與經典之間並非不可逾越的鴻溝，而是一條有跡可循的小徑。

解釋「測量」是什麼乍聽起來挺奇怪。一般我們提到測量的時候似乎非常自然，沒想過這裡面有啥問題。一隻足球有其位置、速度以及質量，這些量都可以被測到；當我在對足球進行測量的時候獲得也就是它的這些性質。如是而已，有什麼可深究的么？

在量子世界事情就沒那麼顯然了。粒子的位置是啥呢，觀測之前都是一個所有可能位置的集合。粒子的其他性質也是如此。量子物體屬性的多個候選者如何轉變成測量設備上特定的讀數？導致設備指向那一確定結果的原因是什麼呢？(量子性如何通過測量化為經典性)現代物理學的答案令人驚訝：測量行為實際上並不意味著量子性的坍塌以及向經典性的突變。

量子物體具有波的性質——意思就是說，理論告訴我們它們可以用「波浪」來描述——儘管是很特殊的波。這種波不需在任何介質中傳播，就像水和空氣中的波似的，它只能被描述為一種叫做「波函數」的純粹數學客體，並能轉變為概率值被我們探測到。

干涉，衍射等是波的典型特徵 credit:銳景創意

因此，量子「粒子」(比如光子、電子、原子、甚至整個分子)都可以展現出「干涉」效應。「干涉」是波的經典現象，兩個波峰重合時互相加強，波峰和波谷可以相互抵消。似乎我們在談論干涉效應的時候很難不把粒子看成扭曲的「波浪」，(到底是粒子還是波啊)，不幸的是提出「波粒二象性」這個詞也只是徒增困惑。其實我們在此描述的是粒子的「波函數」，這個詞的出現也是形勢所迫。討論是「粒子」還是「波」實際上完全搞錯了重點，兩者都是經典的概念。我們糾結於這個問題是因為我們使用常識去理解量子世界。殊不知我們所謂的「常識」是經典世界的特徵，又怎能期待把它用在量子世界裡呢？

量子效應如干涉都是建立在不同實體的波函數是互相協調的(相干的 coherent)基礎上。否則，量子效應就不會體現。也是這種「相干性」支撐著量子力學的「疊加原理」，即粒子可以同時處於兩個或多個態。此處又要澄清一下，粒子不是真的同時處於兩個態——我們不知道如何用經典的經驗去描述它。但可以說，如果兩個態的波函數是相干的，那麼兩個態都保有作為最終輸出結果的可能性。

如果他們的波函數不是相干的，兩個態便不能干涉，也不存在這兩個態的疊加態，這一過程叫做「退相干」。它從根本上破壞了量子性，多個態從而表現的更像是我們熟悉的經典系統。宏觀物體之間不能體現量子相干效應或是處於疊加態是因為它們不能被描述為一組「相干的波函數」。這才是量子和經典之間基本的分界線——而非它們本身就勢不兩立(像玻爾說的那樣)。可以說，「量子相干性」從本質上定義了「量子性」。

那問題來了，什麼導致了退相干呢？這就涉及到量子實體一個長期忽略的方面：它們周圍的環境。量子系統實際演化過程中很重要的一點就是它們不是孤立的。正是周圍環境的影響從一鍋量子湯中召喚出了經典物理。

如今我們無從得知當年玻爾和同行們為什麼沒想到這一點，畢竟這涉及到的仍只是量子力學的基本原理，或許只能搪塞的解釋說，科學史上類似的錯過一點也不稀奇。研究者常覺得他們可以只關注他們感興趣的系統，而忽略環境的影響或是僅將其作為背景的微擾。這麼做是挺方便的，但在觀測量子系統的時候就不能這麼假設了。

退相干理論的基礎由德國物理學家H Dieter Zeh在1970年代奠定。提出後仍然沒太多人感興趣，直到此後十年美國Los Alamos國家實驗室的Wojciech Zurek發表的兩篇論文將其帶回公眾視野。Wojciech Zurek生於波蘭，一頭捲髮，聊起他對量子力學的重大發現，他一臉平靜。當你得知他在John Wheeler的手下做研究之後，你就會理解這種這種平靜了，那是美國一位近乎傳奇的物理學，曾和玻爾共事，「蟲洞」一詞就是他創造的，黑洞的概念也是他發明的，往往打破常規。

Los Alamos國家實驗室的Wojciech Zurek教授。credit:Los Alamos主頁

Zurek已然成為退相干理論的重要創立者和倡導者，以之為中心概念的理論框架將幫助我們串聯起量子和經典世界。這種聯繫基於這樣的事實：量子相干性是可以傳遞的。如果一個量子物體與另一個量子物體相互作用，它們相互關聯成為疊加態：某種角度來說，他們成為了單一系統，兩個物體就此變得「糾纏」了。這詞聽著也挺奇怪的。這也是物體和環境相互作用時發生的過程——比如光子或空氣分子的反彈，相干性由此擴散到環境中。

理論中，這個過程不會終結。糾纏態的空氣分子撞擊到另一個，把第二個拉進糾纏態。同時別的粒子也在撞擊這個系統。慢慢的，整個系統和環境越來越糾纏，以至於無法再將其分成孤立的實體。

這種擴散也破壞了初始系統量子相干性的體現。因為疊加性成為了系統和周圍環境共有的性質，我們無法再從整個共有系統的一小部分中看出疊加性——儘管這一小部分好像對應初始系統。這有點像「不識廬山真面目，只緣身在此山中」。退相干沒有讓量子性(疊加性、相干性)喪失，丟失的是讓我們探測到初始系統的量子性的能力。

只有在我們仔細觀察所有糾纏的粒子時才能判斷它們是否處於疊加態。這又該如何實現呢？難道要監測每一個和初始系統撞擊的光子、分子以及相繼碰撞的別的粒子嗎？那這塊拼圖的碎片可散得太開了，有的碎片可能都不知道跑哪去了，儘管原則上每塊碎片就存在在某處(量子力學保證的)，並且會一直存在下去，但基本沒啥可操作性。這就是退相干的本質意義，我覺得可以描述成：「有效的」相干性的丟失。這是真實地、潛移默化地、以一定速率發生著的。

利用量子力學我們可以計算這個速率，從而通過實驗測試退相干理論。Serge Haroche和同事於1996年第一次在巴黎高師進行了相關實驗。他測量了原子在儀器——光阱——中和光子相互作用的退相干過程。退相干可以導致原子態之間干涉的消失，且實驗觀測和理論符合的很好。2003年的時候，維也納大學的Anton Zeilinger和Markus Arndt團隊成功觀測到大分子間干涉消失的現象，大分子和氣體分子的物質波碰撞，通過調節腔室中的背景氣體而改變了退相干速率，實驗和理論也是相符的。

退相干是非常高效的，可能是科學領域最高效的過程了。對於空氣中漂浮著的0.01毫米大小的塵埃，退相干時間大概是10^-31秒：小於以光速穿過一個質子直徑所需時間的百萬分之一！即使在幾乎孤立的星際空間，無處不在的宇宙微波背景——大爆炸的遺迹——也會使其在一秒內退相干。

星際之間非常空曠，但仍有宇宙微波背景的存在 credit:123RF

所以，對於日常生活中的宏觀尺度的物體，就實際來說，退相干是不可避免且即時發生的：你無法讓他們保持「量子的」。似乎量子物理想把那些原理藏在原子尺度之下，騙我們覺得事情就是我們日常經驗的樣子。但只要我們非常仔細的觀察大自然還是能夠發現其中的奧秘。

要注意的是，這種效應其實和我們一般語境里的「觀測」沒有必然聯繫。想把量子轉換為經典，不需要有意識的大腦進行測量觀察，只要有個充滿「物體」的環境就行了。有沒有人類，宇宙都是這樣子。

退相干導致量子性質(疊加、干涉)的衰減只是理解測量的第一步。我們還要解釋為什麼經典的測量儀器會記錄下他們記錄下的那個值。嚴格地來說，我們定義疊加態的時候是和書寫的數學形式有關的(基底的選擇)。從量子的角度來看，每個態是等價的，都是方程的解。為什麼有的態在退相干的過程中保留了下來並最終明明白白被儀器翻譯出來，顯示成讀數或是指針位置，另一些不行呢？說起來有些拗口，為什麼我們看到的是我們看到的這些態，而不能看到那些疊加態呢？

答案包括兩個部分。首先，退相干誘導的與環境的相互作用不只是隨意地縮減了初始系統的量子性。它還挑選出了具有特定數學對稱性的態而捨棄了其它的。Zurek稱之為「環境誘導超選擇」(environment-induced superselection，einselection)。通過這種方式，「環境函數不是簡單充當了垃圾回收車，而是作為交流渠道」，他說。

但對於一個量子態來說為了能讓我測量到，僅僅從退相干中存活下來還不夠。存活下來意味著這個態原則上是可測的——但我們還是要得到它的相關信息來探測到這個態。因而我們要接著問，信息是如何被實驗者獲得的。(誰會想到「測量」背後還有這麼多事啊？)

對此問題，目前給出的答案是非常有趣的：這其實是因為一個量子系統在和環境相互作用的時候在經典的測量儀器上留下了「印記」。如果我們能用一架神奇的裝置記錄下所有和一粒灰塵碰撞的空氣分子的軌跡，我們便能從中分析出灰塵的位置而不用直接去看到它；我們可以只監測它在環境上留下的印記。類似的，這實際上就是當我進行測量時——無論是測量位置還是別的什麼性質——所做的事情：我們探測的不是物體本身而是它產生的影響。

當物體和環境發生了耦合，退相干便發生了，同時它也把物體相關的信息印在了環境上，相當於創建了一種副本。然後對物體的測量相當於從副本中提取信息。

Zurek和同事經過仔細的理論分析發現有些量子態在創建副本的時候比別的態更具優勢：它們留下的印記更加穩定，也就是說，它們創建了更多的拷貝。這些穩定的態便是我們能測到的，並且最終在量子的沼澤中留下了獨一無二的經典特徵。可以說，只有「最適合的」態通過在環境中留下了足夠多的副本才能在退相干中存活下來。Zurek稱其為「量子達爾文主義」。

在自然界中，這種「適合」是由實體和它的環境共同決定的。有些環境利於誘導退相干卻不利於保留可靠明確的副本。空氣分子的碰撞就屬於這一類。你可以從空氣分子碰撞後的軌跡中重建物體的位置，只要你能在亂糟糟緊接而來的分子撞上來之前把信息收集好。

光子很適合用來保存印記，因為它們不會相互作用，在與物體碰撞之後攜帶的信息不容易打亂。所以說，咱們這些有機體廣泛選擇視覺作為可靠的方式探索周圍環境可不是巧合而已！相比之下，嗅覺依賴的氣味分子要穿過擁擠繁忙空氣，就不是很可靠。有些動物在視覺沒用的時候也會用到它(比如在晚上)，但使用者要捕捉住彌散開的若有若無的蹤跡，比不上視覺發現目標直接。

Zurek和同事Jess Riedel已經能計算出簡單情況下這種拷貝擴散有多快多廣，比如一粒真空中被陽光沐浴的灰塵。他們發現，僅僅在被照射1微秒之後，一粒一微米的灰塵就拷貝一億份位置的印記。

正是這些眾多的印記使得這些物體看著具有客觀的、接近經典的性質。因此，10個觀測者分別測量灰塵的位置而能得到一致的答案。每一個觀測者消耗了灰塵反射的不同的光子攜帶的不同副本。從這個角度來說，物體的客觀位置不是因為它確實「擁有」這個位置(隨便這個詞什麼意思)，而是因為它的位置在環境中留下多個不可分辨的副本。此等習以為常之事其實建立於堅實而艱深的的量子理論之上。

以上圖像有一個看似怪異的推論。既然我們每次測量一個系統性質的時候就消耗了它在環境中的一個副本。那有沒可能把拷貝用完，最後再也測不到這個態了？答案是肯定的：太多的測量最終會讓這個態看著像消失了。

但也不必為有限拷貝數量這一結論大驚小怪。它就是說，如果我們不停地探測一個系統來了解它，最終我們會把它擾動到別的態去。這和我們的經驗也是相符的，你大可在太陽下欣賞(觀測)你的咖啡杯，也不用擔心會改變它，但對著一幅古董畫就不能這樣了，因為顏料在過度的光線下會褪色：你會改變它的狀態。對於足夠小的東西來說更是如此，比如你打算長期地觀測電子，一個光子的反射就已經影響很大了，所以在它轉變為另一個態之間就製造不了幾個副本。

如何理解「測量」 credit: 銳景創意

量子達爾文主義告訴我們，本質上，問題的關鍵不在於物理探測是否改變了被探測的物體(儘管這確實發生)，而在於收集信息改變了這個理論圖景。通過退相干過程宇宙選擇保留下了量子世界的一些代表者，這些代表者具有我們從經典世界中習得並期待的特點。一直以來我們都在清掃這些信息——也銷毀了這些信息拷貝，一次一個。

退相干理論還不能完全解決量子力學的問題。最重要的一點是，儘管它指出了從量子波函數固有的概率性收縮為經典形式的個別性的路徑，但沒有解釋結果獨特性的問題：從退相干中存活下來的「優勢態」(仍然不唯一)都是可能的結果，為什麼我們看到的是只是其中一個。一些研究者覺得不得不把這條作為額外公理(你可以叫它「超常識的」)：於是他們把現實定義為量子理論加唯一性。

不論怎樣，多虧了退相干理論，我們不再需要把量子測量描述的神神秘秘。我們擁有了一個可以描述信息從量子系統流入到宏觀儀器的數學理論。利用這個理論，我們能計算這個過程有多快、是否穩定。我們終於有了一個測量理論。並且其中沒有給有意識的觀測者賦予什麼特殊的地位，剔除了量子力學中一直以來看似神秘的一點。

我們也不再需要玻爾那套說辭，把世界隨隨便便分割成量子力學主導的微觀和經典力學支配的宏觀世界。現在我們可以看到兩者其實是連續的，進一步說，經典物理只是量子物理的特殊情況。基於此，所謂我們的經驗認知完全是量子認知的直接產物。

測量的量子論和一般科學探究的過程不同。通常我們把人類常識和經驗視為當然，據此追根溯源推測一些更加基本的物理行為。儘管有時其間的路非常曲折漫長——日心說、希格斯玻色子、黑洞等等，但我們一般會接受這些觀點，亦即相信實際存在的和我測得的之間有著簡單的聯繫。

退相干理論沒有理所當然地接受對於測量的常識性理解。它建立在「世界根本上由量子原理支配」這一點，得出的結論表面上與經驗相悖，而繼續向上推導的結果顯示它可以囊括常識。

這也是為什麼測量的量子理論也可以被認為是解釋常識的理論。退相干理論解釋了常識的起源——隔了好遠的量子理論。我們所面對的挑戰就是要把本能的常識和其量子來源調和起來。不必擔心兩者會衝突，因為兩者一致且不可分割的。

接受以上這些之後，我便能安慰自己說：經典理論和量子理論在物理上是不會有衝突的，有也是我們想出來的，絕對的。

原作者 Philip Ball

本文譯自 aeon，由譯者 dingding 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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