從“多宇宙”到“退相干”

　　如果量子疊加是真實的話，為什么火星不會從它的軌道上散發開去呢？
　　——“中子物理學”之父恩里克·費米的疑問
　　
　　上次我們說到，在量子世界中，萬事萬物都具有一種奇妙的特性，即疊加性。電子可以“又在左邊又在右邊”，小球可以“又是紅的又是綠的”。
　　這個古怪的觀點在歷史上曾引起過軒然大波，很多物理學家都強烈地反對這種觀點，因為它的荒謬連一個普通人都能夠看出來——有誰在日常生活中見過任何一種東西正陷于這種疊加態嗎？有誰見過一粒子彈同時打中了站在相反方向的兩個人嗎？有誰見過一只貓既是活的又是死的嗎？有誰見過月球同時沿著無數條不同的軌道，以一種魔幻般的方式環繞地球運轉嗎？
　　既然在宏觀世界中，這些現象從來都沒有發生過，而且我們也頗有信心地認為它將來也不太可能發生，那為什么要承認萬事萬物就必須處在疊加態呢？要知道量子力學是一門普適的理論，就好比牛頓定律不但對蘋果有效、對恒星也同樣有效，量子力學不應只適用于微觀尺度上的物體、對宏觀世界的物體也應該同樣有效。一個電子具有它的波函數，一個足球同樣也具有它的波函數，而世上所有東西的波函數都按照一個客觀定律在發展：那就是薛定諤的量子基本方程，不是嗎？
　　看來，真相無非有這樣幾種可能：要么量子力學根本就是錯的，它只不過碰巧取得了歷史上那一系列輝煌的成功而已，我們現代社會中的原子彈、核電廠、半導體、電子顯微鏡、計算機、激光……諸如此類，都只不過是一個錯誤的理論碰巧做出的貢獻罷了。顯然，這種結論不能教人心服口服，而量子力學本身也在以它壓倒性的力量不斷反擊著種種質疑。這場較量從量子論誕生的第一天起便已展開，在上世紀40、50年代曾一度達到高潮。我們看到，在反對者中甚至有好幾位量子論的創建者，包括薛定諤本人。但一個世紀過去了，量子論抵擋住了來自任何人的攻擊，至今為止它和所有的實驗都相符，還沒有找到一個它所無法解釋的物理現象。薛定諤方程被證明是我們宇宙的基石，因此，我們必須正視“量子疊加”這種奇異現象的存在。
　　如果基本方程無可更改的話，我們似乎只剩下兩種選擇了。第一，承認量子疊加確實是一種普遍存在的物理現象。不僅電子的波函數會如此，你我的波函數也同樣正在疊加中。好比今天的午飯提供了兩種菜譜，牛排或者是魚，我必須做出一個決定。從量子力學的觀點來看，我的波函數確實處在一個“吃牛排/吃魚”的疊加狀態，嚴格地說，“我”是又吃了牛排又吃了魚的。
　　然而我心里明白，這種好事實際上并沒有發生。那又該如何解釋呢？物理學家們提出了一大堆承認波函數始終疊加的解決方案，其中最有趣的一種是認為必須把這種疊加放到整個宇宙的層面上去理解。換句話說，疊加的不僅僅是吃牛排的我和吃魚的我，還包括了整個宇宙在內！在我決定吃什么的一剎那，整個宇宙的波函數都進化了，發展出了兩種本征態，一個包含了吃牛排的我，另一個則包含了吃魚的我。
　　
　　這是一種徹頭徹尾的精神分裂癥。
　　——“多宇宙論”的堅定擁護者德·威特在第一次聽說它時所發表的評論
　　
　　這就是說，在這個宇宙中所發生的任何行為，本質上都是宇宙本身波函數所發展的結果。我吃牛排還是魚的行為，影響的不僅僅是我自己的波函數，它還導致整個宇宙的“分裂”。最終疊加的不是“吃牛排的我”和“吃魚的我”，而是“我在其中吃了牛排的宇宙”和“我在其中吃了魚的宇宙”。
　　不光如此，實際上每一個所發生了的量子事件，都使得宇宙產生了一次“分裂”。宇宙是一個巨型波函數，它是由無窮多個幾率幅所構成的一個不可思議的復合體，其中包含了自開天辟地以來所有可能發生的事件。在這種理論看來，恐龍至今仍然存在著——從白堊紀到第三紀的時候，宇宙曾產生過無數次量子分裂，在我們如今呆著的這條分支線上，恐龍確實滅絕了，但在許多種別的發展方式下，那顆致命的彗星軌道稍稍偏轉了一點點，與地球擦身而過，于是這些爬行動物生存繁衍至今。那樣的一些宇宙和我們如今所在的宇宙是共存的，所有的這些宇宙都是我們宇宙實體的一個分身，它們以量子疊加的形態構成了宇宙波函數本身。
　　總而言之，我們現在所看到的宇宙，其實只是真正的“宇宙”的一個極小極小的切面，只能叫“分宇宙”。另外還存在著無數個稍有不同的分宇宙，它們的疊加才是真正的“宇宙”本身。每一次量子事件都導致更多的分宇宙產生，其數目趨于無窮，這在量子力學中被稱為“多宇宙”解釋。
　　好吧，盡管不少大物理學家如霍金就贊同過“多宇宙論”，但它確實古怪得幾乎無法能讓常人接受。讓我們再換一條思路來考慮問題。如果不想承認宇宙在不停“分裂”的話，我們只能假設存在著這樣一種機制，它使得宏觀世界中的物體一旦受到任何觀察，就在瞬間發生了某種突變，它的波函數一下子從原來的疊加狀態變成其中一個確定的本征態。也就是說，當小球藏在盒子里的時候，它可能真的“又是紅的又是綠的”，但只要我們把它拿出來觀測，它就立刻發生了奇妙的變化，隨機地變為紅色或綠色，而不再處于疊加狀態。
　　這種魔術般的過程傳統上被稱為量子態的“坍縮”，是物理界長期采納的一種正統說法。由于最早提出這種解釋的物理學家基本上都來自量子力學的大本營——哥本哈根的玻爾研究所，因此也被稱作“哥本哈根解釋”。按照這種說法，萬事萬物本來都是處于疊加態的，但只要我們一“觀測”它們，它們就立刻“坍縮”，使我們踏破鐵鞋也找不到一只又紅又綠的小球。
　　雖然這在很長時間內是一種主流理論，但由于人們長期無法說清這種“坍縮”究竟是怎樣一種物理過程，因此在歷史上引發了無數爭論。愛因斯坦曾問道，在沒有人看著月亮的時候，難道它就不存在了嗎？由此引發的難題更是一個接著一個：為什么物體一被觀測就得坍縮？坍縮是怎樣進行的？什么叫做觀測？只有人能夠觀測嗎？當物體被貓觀測的時候它會不會坍縮？被儀器觀測呢？
　　甚至一度有人認為，“觀測”的主體只能是有意識或者有智慧的生物。只有人才可以讓波函數坍縮，貓就不行，因為貓沒有“意識”或者“靈魂”。物理學險些成為討論靈魂問題的論壇。
　　
　　我做實驗的唯一目的，就是想讓別的物理學家們都看看，量子論究竟有多奇怪。
　　——“退相干”理論的創始人之一安東尼·塞林格的訪談
　　
　　幸好近幾十年來，科學家們更深入地探討了量子疊加過程的本質。他們發現，這種表面上的“坍縮”，或許更多的是一種與環境互相作用的結果。怎么說呢，一個小球如果是“與世隔絕”的，那么它的波函數確實在嚴格地按照量子方程發展，處于“又紅又綠”的疊加狀態。可一旦你打開盒子，讓它與環境發生復雜的接觸，可以通過量子力學本身證明，存在著一種機制，使得小球系統的不確定性“泄漏”到了整個環境之中。在與環境作用之前，小球處在紅球和綠球疊加的“相干態”，而與環境作用之后，這種相干消退了。這樣的一個過程稱為“退相干”過程。
　　今天，退相干的機制經過反復實驗，已經在很大程度上得到了證實。量子系統之所以在宏觀體系中不能出現在微觀層面上的那些神奇的疊加場面，或許就和宏觀物體無可避免地與環境發生復雜接觸有關。試想一只貓與環境所發生的接觸，顯然遠遠大于一粒電子，而且幾乎是無法排除的。因此，電子或許可以同時通過兩道狹縫，但貓卻很難同時向左和向右。
　　值得注意的是，“退相干”并沒有解決量子力學的內在問題。我們只能說，系統的不確定性在“退相干”過程中被“稀釋”到了環境中，但“退相干”沒有消滅這種不確定性。打個比方，一滴水（系統）可以是滾燙（不確定）的，而“退相干”好比把這滴水放到了整個大海（環境）中，于是我們再也感覺不到燙了。但問題是，這種機制并沒有使原先的那些熱量就此消失，它只不過是被包容到了更大的環境中而已。當任何系統發生退相干而脫離疊加態之后，我們只能說在我們（環境）看來，這個系統的不確定性消失了，但如果把我們包括在內的話，系統的不確定性依然存在。
　　從這個角度上說，“退相干”只是一種解決局部難題的方案。從根本上來講，宇宙是否真的一直處在量子疊加態，究竟應該如何解釋量子力學，這仍然是物理學中最大的難題之一。量子力學不是一門已經完成了的學問，21世紀肯定還會有一些驚人的發現。
　　在了解了量子疊加和“退相干”之后，我們終于可以來實際地討論量子計算了。
　　
　　曹天元：上世紀80年代出生于上海，曾赴美國求學。現居香港，從事金融工作。除量子學外，戰爭史也是他的研究興趣之一，曾在專業雜志發表多篇明清史論文。