退相干和量子力學的測量問題

摘要：近20年來退相干的思想引起了物理學界和物理學哲學界的關注，但是退相干單獨不能解決測量問題。在解決測量問題上，退相干思想所提出的新的觀念問題，促進了“超越”量子力學正統解釋的解釋框架的產生。

關鍵詞：退相干；量子力學{測量問題

中圖分類號：O431 文獻標識碼：A 文章編號：1671－6477(2008)04－0495－05

近20年來，退相干已在量子力學的文獻中變成了一個無所不在的術語。甚至在理解量子力學方面被貫以“新的正統”解釋之名，在實驗和理論物理學家乃至物理學家哲學家中間引起了廣泛的關注。蓬勃發展的量子計算領域和對于介觀和宏觀量子疊加態的研究，已使退相干成為一個前所未有的廣泛研究的領域。雖然退相干本質上不會為標準的量子力學的形式引入任何特殊新的東西，但是當被適當地解釋時，它能產生令人驚訝的結果，這些結果對于正確理解量子力學的形式和知覺世界之間的聯系起著至關重要的作用。今天，在量子力學領域工作的任何人都需要知道退相干的基礎和它的概念內涵。

一、退相干的基礎

退相干提出的核心思想相當簡單，盡管它的影響相當深遠。這一核心思想是：為了給出一個物理系統的行為和性質的正確的量子力學的說明，必須把這個系統和其無所不在的環境的相互作用包括在內，這個無所不在的環境通常包含大量的自由度。系統和其環境之間的相互作用，在系統和環境之間產生一個迅速且強烈的糾纏，對于我們能在系統集體態水平上觀察到什么有決定性的影響。例如，甚至微波背景輻射也能在一個灰塵粒子大小的系統上產生重要的影響。退相干綱領旨在描述這種環境相互作用，并評估它們對物理系統的量子力學描述在形式上、實驗上和觀念上所產生的結果。

在經典物理學中，環境通常被看作是對系統的一個“擾動”或“噪聲”。在許多情形中，依照系統和環境的相對大小，人們把環境對系統的影響忽略不計。例如，當研究足球的運動時，忽略了空氣分子在一個足球上的散射，雖然在布朗運動中周圍的分子在一個微粒的路徑上有一個決定性的影響。相反，在量子力學中，環境對系統的影響不能僅僅被看作是對系統反沖力的一個簡單的傳遞。環境對系統的影響實際上導致系統一環境聯合體形成一個非定域的糾纏態。因此，再沒有單個量子態能被歸屬于系統本身。這種糾纏相應地建立了一種關聯，這種關聯顯示系統一環境聯合體的性質不導源于聯合體的任一部分，需要改變我們能“賦予”給單個系統的性質。因此，如果想用量子力學的術語適當地描述一個給定系統，那么就一定不能忽略系統和它的巨大的、無所不在的環境之間的相互作用。

一個系統的退相干，實際上包含兩個不同的步驟：一個為動力學的步驟，即系統與其環境的相互作用和最終的糾纏；另一個為粗粒化的步驟，這是對系統的觀察結果的一個限制形式，這一步驟

決定了儀器的優化基，反之也決定了系統的優化基，這就是所謂的“環境誘導超選擇”。

我們可以把這些結論從只包含測量儀器的一個裝置，推廣到任意系統和它們的環境之間的糾纏的更一般的情形。物理系統通常被說成只是關于少數參量(對于宏觀物體來說，典型地是位置參量)的確定值這一事實，因而能通過系統一環境相互作用精確地依賴于這些參量例如距離(相對位置)這一事實來說明。因而對易標準暗示，發現系統(近似地)處在與那些參量相對應的可觀察量的本征態之中，將更適宜。由于這個選擇機制是建立在標準的幺正量子力學基礎之上，因此避免了假設特設的基選擇標準的必要性，因此也能被期望與我們的觀察結果相符合。在此，一個保留的觀念問題是：涉及什么作為“系統”，什么作為“環境”，分界線應該放在哪兒的問題。雖然如此，環境誘導選擇能被認為是用來說明優化態的出現及其穩定性的最有前途的方法。

2．結果問題。讓我們再次考慮馮·諾依曼的量子測量的情形，在這種情形中，系統和儀器的相互作用是以系統態和測量儀器態糾纏的形式出現的。現在，把環境也包含在這一相互作用鏈中。也就是說，儀器A與系統S相互作用，依次，SA聯合體又與環境相互作用。薛定諤方程的線性特征產生了整個系統SA的如下時間演化形式：

這里，|a₀)和|e₀)分別是儀器和環境的初態。顯然，在相互作用發生之后，SAe聯合系統始終由一個相干純態的疊加描述。雖然相位λ_n在由S、A和相互作用產生的SA_ε聯合體中實現了去定域化，從而把局域干涉“溶解”在全域系統中，但是這個退相干過程單獨不能0自動地說明為什么我們會感知到確定的結果。由于疊加描述分離的量子態，在這些量子態中疊加的所有分量同時“存在”，因此我們不能且不必分離顯示測量的一個實際結果的一個儀器態。

當我們根據其約化密度矩陣來考慮開放亞系統SA的動力學時，我們能隨意解除SA_ε聯合體中相干性的維持。當然，我們真正需要的是能把一個確定的值歸屬于A，確切地說是歸屬于SA聯合體(如果考慮測量是可信的話)，而不是歸屬于SA_ε總系統。約化密度矩陣的時間演化通常是非幺正的，因為它不但受SA哈密頓量的影響，而且受相互作用環境的影響。由于退相干導致SA的“似經典的”密度矩陣的形成，所謂“似經典的”是指約化密度矩陣SA在一組穩定的、環境選擇基態中迅速地對角化，從而在操作上變得與一個系綜態的退相干密度矩陣不可區分，它正確地描述了開放系統SA的時間演化。因此，退相干似乎能說明一組定域的有確定幾率的可能測量結果的存在，這進而與在分離測量中單個結果的出現相關。

但是，退相干單獨不直接解決測量問題。因為退相干只描述波函數的幺正糾纏，既然結果的糾纏疊加精確地說是測量問題的源頭，所以我們就不能期望對于這個問題的解決將由退相干提供。然而，根據如下事實：從退相干獲得的約化密度矩陣極好地描述被觀察的開放系統的動力學和關于這些系統的準經典性質的出現，我們可以說，退相干對促進測量問題的解決極其有用，特別當根據系統一觀察者的量子力學關聯來正確考慮觀察者的物理作用時。這也使得根據物理觀察結果，對于“確定結果的感知”和相關測量問題實際上意味著什么，在認識上變得更為精確。進而，這也使得退相干如何能在各種量子力學解釋中被使用，特別是關于測量問題的解決上變得重要。下面我們給出退相干和量子力學解釋之間關聯的一點短淺的說明。

三、退相干與量子力學的解釋

我們知道，量子力學有許多種解釋途徑。按照“標準”的教科書，有強調塌縮假設的“正統”解釋和相似的(經常是不被區分的)“哥本哈根解釋”。除此以外，還有多種“可供選擇的”解釋方案：如相關態解釋，由埃弗雷特(Everett)引入，進一步發展為“多世界”和“多心”解釋；模態解釋類型，首先由范·夫拉森(van Fraassen)提出；Ghirardi-Rimini-Weber(GRW)類型的物理塌縮理論；德布羅意一玻姆的飛矢波理論。所有這些可供選擇的方法的共同點是，它們都企圖去除正統(和哥本哈根)解釋中的塌縮假設。其中一些剛好是對標準量子力學形式體系的可供選擇的闡釋(相關態解釋)，其他一些或是改變了聯系量子力學形式體系與實際的物理性質的規則(模態解釋)，或是假設了新的物理機制(GRW理論)，或是引入了額外的支配方程(德布羅意－玻姆的隱參量解釋)。

從退相干的角度看，這些解釋在解決量子力學的一些基本問題上都存在著不適當的地方。關于這一點將另辟文章做具體說明。現在要強調的是，退相干解釋考慮把環境相互作用包括進來，作為對于物理系統的行為的一個客觀描述，是獨立于任何解釋框架的一個客觀的解釋。但是，源于這種相互作用的結果以及對它們的適當解釋，是與人們的觀念和解釋立場有諸多的關系的。例如，我們可以問是否退相干效應單獨可以解決一些基礎問題，而不必有某種解釋“附加物”，或是否退相干能推動或證偽某種方案——甚或導致不同解釋的一個統一嗎?如前所述，退相干單獨不能解決測量問題，即不增加一些額外的解釋要素，退相干本身回答不了測量問題。這種情形不僅要求而且推動了超越“正統”解釋的解釋框架的產生，這些框架可能對于促成退相干綱領以及作為一個整體的量子力學的一個概念完備且自洽的解釋，提供了一些缺失的步驟。我們希望這樣的解釋框架早日提出，在國內外的物理學和物理學哲學界，一些學者正在進行著這樣或那樣的嘗試。國外的結構實在論，國內的量子力學的曲率解釋都是對于量子力學認識論的解讀，也都是強調唯物主義認識論的解釋。同樣，根據退相干的把環境相互作用包括在內的相當簡單的思想，對于量子力學的基礎，我們也倡導一種唯物主義認識論或說科學實在論的解釋立場，因為在量子測量中由量子態到經典態的過渡不需要主觀介入，而是一個自動退相干的客觀過程，這就在一定程度上澄清了人們曾經對測量問題的一些認識論混淆。

(責任編輯 曾毅生)