量子常理

菲利普·巴爾+晨飛

每個對物理學有點興趣的人都知道，量子理論有悖常識。

有人說，現實的量子觀就像一個瘋人院，里面住的是成為浪潮的粒子。當然也可以反過來看，也就是說瘋人院里住的是浪潮，這些浪潮能變成粒子，相互之間可以通過奇怪的信息交流，這是傳統的時間和空間概念無法形容的。我們認為世界是由堅實的離散物體構成的，如樹、狗和桌子，這些東西具有我們都認可的客觀屬性。但是在量子力學中，具有明確身份的經典客體的整體概念似乎并不存在。聽起來很可笑吧？物理學家理查德·費曼早在1985年就說：“自然就是那樣，很荒唐，我希望你們能夠接受這種自然。”

量子理論并不表示粒子能夠像波或幽靈一般交換信息，當然也不認為經典物體不存在。它不僅不否認經典物體的存在，還能說明它們為什么存在。在某些重要方面，該理論的升級版還揭示了為什么常理看起來是常理。你可以說，如果你有190厘米高，那么在經典世界就是量子力學的樣子。我們的世界和我們的直覺，都是清一色的量子。

那為什么一談起量子力學就說它如何不合邏輯、與現實不符？我們也許得把一些責任歸于丹麥物理學家尼爾斯·玻爾。他可能是量子理論的創始人中最理解這個理論意義的思想家，他的直覺也通常都是正確的。但是在20世紀二三十年代，玻爾在量子世界和經典世界之間砸入一個持久的楔子。他說，它們根據不同的原則運作，我們只需要接受。

按照玻爾的觀點來說，量子力學告訴我們的不是世界如何，而是我們在測量時會發現什么。理論的數學機制給了我們各種可能的結果。當我們進行測量時，我們只得到其中一種可能性，但是誰也不知道是哪一種，因為自然的選擇是隨機的。量子世界是概率性的，而經典世界（我們所有的測量發生的地方）只有獨特的結果。為什么呢？“事情就是這樣的。”玻爾回答說，“沒必要期待量子力學提供更深層次的答案，它只告訴我們需要期待什么，而且是不可思議地可靠。那你還想要什么？”

玻爾的觀點是1921年在哥本哈根的物理學研究所提出來的，所以被稱為“哥本哈根解讀”。它并沒有直接說經典物理學和量子物理學之間存在矛盾，而是暗示玻爾與他打的那塊“互補性的咒語式的補丁”不相容。經典世界和量子世界是現實的兩個互補的方面，“既有經典世界的意義，也有量子意義，但是不能兼而有之，至少不能同時擁有這兩者”。

互補原則對許多物理學家來說似乎是一個令人非常不滿的妥協，因為它不僅逃避了關于現實性質的難題，而且基本上禁止了提這些問題。盡管如此，互補性至少有助于確定問題出在哪里：理解我們的測量意義。通過測量，物體成為物而不是可能性；而且，它們成為具有明確狀態、位置、速度和其他屬性的東西。換句話說，這就是違反直覺的量子世界帶給常理的感受。那么我們需要統一的量子觀和經典觀就是一個適當的測量理論。問題已經滯留在這一點上很長時間了。

現在我們有這個理論，但不完整，這你得小心。它不會使量子規則的明顯異常消失，但它確實使我們能夠看到這些規則為什么引向我們經歷的世界，讓我們能夠超越玻爾互補式的或A或B的困惑。量子世界與經典世界之間的界限畢竟不是一道鴻溝，而是一條明智而可追溯的道路。

測量需要解釋，這是一個奇怪的觀念。通常測量的概念似乎微不足道，壓根就不需要問這個問題。一個球有一個位置，或一個速度，或一個質量。我可以測量這些，我測量的東西是球的屬性。還有什么要說的？

但在量子世界中，事情并不那么明顯。在那里，觀察前，粒子的位置不過是一整套可能的位置，量子的其他所有方面也是如此。量子客體中的大量潛在屬性如何在測量設備上變成一個特定的讀數？這個物體的什么屬性讓設備指向那個精確的答案？現代的答案是令人驚訝的：測量的行為并不意味著量子性的崩潰和轉向經典性。

量子客體具有波的性質，也就是說，理論告訴我們，它們可以被描述為波，盡管是特殊的波。這種波不會像空氣或水中的波那樣通過任何物質移動，而是被稱為波函數的純數學客體編碼，可以轉換為可測量的值的概率。

因此，量子粒子（例如光子、電子、原子，甚至整個分子）可以表現出干涉這一波的經典性質，即當兩個波峰或波谷重疊時會相互加強，當波峰與波谷重合時會互相抵消。討論這個現象很難不給人留下粒子本身是波的印象，而“波粒二象性”這個不幸的說法只會使事情更為混亂。但是，我們真正看到的是粒子波函數的一個特征，只是還沒有一個更好的術語來形容它。詢問這些量子客體是否真的是粒子或波并沒有抓住要領，因為這兩個都是經典概念。我們問的理由是我們正在本能地恢復量子世界的一些常理性圖景，但是我們所說的“常理”是經典世界的一個特性，我們不能指望將其用于量子事物。

環境使量子湯產生了經典物理學和“常理”行為。

量子效應，比如干涉，都是建立在不同實體的波函數是互相協調的基礎上的。這種相干是允許疊加的量子性質，其中粒子被認為是同時處于兩個或更多狀態。再次，它們并非真的同時處于兩種狀態，我們不知道在經典意義上如何恰當地描述它們。但是即便這些狀態的波函數一致，對它們的測量仍然可能得到不同的結果。

如果它們的波函數不一致，則兩個狀態不能干涉，也不能保持疊加。所謂的去相干過程破壞了這些根本上的量子性質，而且狀態更像是不同的經典系統。宏觀物體不顯示量子干涉或作為疊加存在，因為它們不能用相干波函數描述。我們認為這是量子與經典行為之間的根本分界線，量子相干性本質上是對“量子性”的定義。

然而，是什么引起了去相干？是量子實體長期被忽視的方面——它們的環境。量子系統的行為和發展方式在很大程度上取決于它不是孤立存在的事實。環境使量子湯產生了符合經典物理學和“常理”的行為。

玻爾及其量子力學早期的同行不理解去相干的原因并不明確，因為它只涉及量子理論的基本原理，科學中通常會發生這種情況。研究人員認為，他們可以專注于自己感興趣的系統，并完全忽視它的環境，或將其歸因于小的背景擾動。這樣做通常挺管用。但是，如果我們想觀察有關量子世界的事情，那就不行了。

去相干理論的基礎在20世紀70年代由德國物理學家迪特爾·澤奠定，但當時沒引起學術界的注意，在其提出后10年里只有兩篇論文，直到新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的楚雷克討論“去相干”計劃時才引起廣泛注意。楚雷克在波蘭出生，滿頭卷發，在發現量子力學令人難以置信的方面時表現得干練冷靜。他是在約翰·惠勒的指導下學習的。那是一位近乎傳奇的美國物理學家，和玻爾一起工作，在“歪理邪說”方面很有一套。他創造了“蟲洞”一詞，又普及了黑洞的概念。

楚雷克是去相干理論的主要構建者和倡導者之一，他使得去相干理論成為連接量子世界與經典世界的重要概念。這種聯系源自量子相干性具有“傳染性”的事實。如果一個量子客體與另一個量子客體交互作用，它們就會成為一個復合疊加，在某種意義上，它們成為一個系統。事實上，根據量子力學，這是在這種互動中唯一可以發生的事情：這時候，這兩個物體就“糾纏在一起”。這聽起來可能很幽默，但這只是當量子系統與其環境相互作用時會發生的事情，就像光子或空氣分子反彈一樣，相干傳播到了環境里。

理論上，這個過程會一直進行下去。糾纏的空氣分子撞擊另一個，第二個分子被拖入糾纏狀態。同時，其他粒子也撞擊初始量子系統。隨著時間的推移，該系統越來越多地與其環境相互糾纏，這意味著它不能再被分解成單獨的實體。

糾纏的這種傳播破壞原始量子系統的相干表現，而將其疊加為系統及其環境的共享屬性，所以我們無法再看到與原始系統相對應的共享狀態的一小部分疊加。可以說，我們看到了樹林但看不到單個的樹木。去相干性實際上并不是疊加和相干的損失，而是我們在原始系統中檢測這些東西的能力的損失。

我們不需要有意識的頭腦來測量或觀察。我們參與不參與，宇宙總是在看。

只有仔細觀察所有糾纏粒子的狀態，我們才可以推斷它們是不是疊加的。我們怎么可能希望這樣做——監測從原始系統彈出的每個光子、每一個與之相沖突的空氣分子，以及它們與其他分子的碰撞？拼圖的碎片已經分散得非常廣泛，從所有的實際用途考慮都已無法找到，但是原則上它們仍然存在，而且（量子力學認為）會無限期地保持下去——這就是去相干的本質：失去（個人）有意義的相干性。這是一個以特定的速度發生的漸進和真實的過程。

量子力學使我們能夠計算出這個速率，這樣我們可以對去相干理論進行測試。巴黎高等師范學校的塞爾日·阿羅什及其同事于1996年首先測量了被稱為“光阱”的設備中原子和光子相互作用的原子的去相干性。用量子理論計算的去相干性造成的原子狀態之間的干涉損失與實驗結果完全吻合。2003年，安東·澤林格和馬庫斯·阿恩特牽頭的研究團隊觀察到了大分子量子波之間的干涉消失。他們通過逐漸將氣體釋放到干涉發生的腔室來改變去相干率，使氣體分子與物質波中的氣體分子碰撞。理論和實驗很好地吻合了。

去相干顯然是一個非常有效的過程，可能是科學界已知的最有效的過程，對于在空氣中浮動的直徑0.01毫米的塵粒，大約需要10-31秒：比光子通過單個質子快100萬倍！即使在星際空間近乎隔離的情況下，宇宙微波背景中普遍存在的光子——大爆炸的余暉——也會在大約1秒內消去這個粒子的相干性。

因此，對于在普通條件下接近宏觀尺度的物體，去相干在所有實際目的上都是不可避免的、瞬時的：你不能讓它們看起來一直呈現為“量子”，幾乎就像是力圖使構造世界的量子物理學規律把這些規律在比原子尺寸大得多的任何單位上隱藏起來，誘使我們認為事情只能是我們經驗中的那樣。但是，如果我們仔細觀察大自然，就能明白是怎么一回事。

請注意，去相干的這種效果與正常意義上的觀察無關。把量子世界變成經典世界，不需要我們有意識地去測量或觀察，只需要給我們一個充滿活力的環境。宇宙總是在觀察，有沒有無所謂。

然而，通過去相干實現量子疊加和干涉的衰減只是量子測量理論的第一個要素，我們還必須解釋經典測量儀器怎么獲得它們的值。我們如何定義疊加狀態，取決于我們如何計算。從量子角度來看，所有狀態都是有效的解決方案。那么，為什么有些狀態可以在去相干后存在，并在測量設備中被轉換成明確的讀數或“指針狀態”，而其他狀態則不能？為什么我們看到的是常理狀態，而不是無法衡量的疊加？

答案有兩個部分。首先，事實證明，與環境相互作用的去相干誘導不僅僅任意擠壓量子性，它還具體選擇具有特定對稱數學屬性的狀態，并且刪除其他狀態。楚雷克稱其為環境誘導選擇。他說，這樣一來，“環境不僅僅是一個垃圾場，還是一個溝通渠道”。

但是，只做到讓一種量子態能夠不受去相干影響而繼續下去以便我們能夠測量這一點還不夠。繼續下去就意味著這種狀態原則上可以測量，但是我們仍然必須得到那個信息來檢測這種狀態。所以我們需要查問一下實驗者如何獲得那個信息。（真的，誰能想到就這樣一個觀察行為還有這么多的麻煩？）

下面是令人興奮的答案：正是因為量子系統與其環境相互作用，所以才在經典測量設備上留下了印記。如果我們能夠用一些驚人的儀器來記錄塵粒上跳出的所有空氣分子的軌跡，我們就不用直接觀察而想出塵粒所在；我們只需監測它在環境中留下的印記。這實際上就是我們在確定任何東西的位置或任何其他屬性時所做的一切：我們檢測的不是客體本身，而是它產生的效果。

正如將物體耦合到其環境設置去相干那樣，它也將該客體的相關信息印在環境中，形成一種副本。然后，對該客體的度量相當于從副本中獲取該信息。

楚雷克及其同事進行的去相干的詳細理論分析顯示，在制作這些副本時，一些量子態比其他量子態更好：它們留下了更強大的印跡，也就是說更多的副本。這些強態是我們可以測量的狀態，并且最終從底層的量子困境中產生獨特的經典特征。你可以說，只有通過在環境中生產豐富的副本來適應適者生存的去相干過程。楚雷克將這種觀念稱為“量子達爾文主義”。

就像在大自然中一樣，這里的適與不適是由實體和環境確定的。一些環境有利于誘導量子客體的去相干性，但不能保留其可靠且清晰定義的副本。空氣分子的碰撞就是這樣的。是的，你可以從空氣分子彈跳的軌跡重現一個客體的所在，但是你必須能夠收集這些信息才行，因為這個信息很快會在隨后的分子相互碰撞中變得雜亂無章。

另一方面，光子在保留印記方面要強得多，因為它們從客體反彈后通常不會相互影響，所以它們攜帶的信息不會很容易弄亂。視覺是生物體了解其環境的一種可靠和廣泛的方式，這不是巧合。氣味分子穿過繁忙擁擠的空氣后氣味就沒有那么強，有些動物只有在視力不好時（比如說夜間）才會利用它。但是，嗅者必須嗅出一個漫游的散射軌跡，而不僅僅是看到目標并向它移動。

只要你喜歡，你可以凝視咖啡杯，你再凝視它也不會變形；但是大師的畫作你可不能這樣。

楚雷克及其同事杰西·里德爾已經能夠計算出在簡單情況下（例如充滿陽光的真空中的塵粒）量子副本的擴散是多么快速和廣泛。他們發現，只有1微秒的照明之后，直徑1微米的塵粒會在分散的光子中留下大約1億個關于其位置的印記。

因為這種多重印記，這樣的客體似乎具有客觀的、經典的屬性。比如說，10個觀察者可以單獨測量塵粒的位置，并且都認為它在同一個位置。每個觀察消耗掉反射光子中一個不同的粒子副本。在這種觀點下，我們可以為這個微粒指定一個客觀的位置，不是因為它真的“擁有”這樣一個位置，而是因為它的位置狀態可以在環境中印制許多不可區分的副本。原來，我們認為的顯而易見的常理在量子理論中具有安全的但遠非明顯的基礎。

這里有一個看似奇怪的推論。當我們通過在環境中探測其副本來衡量系統的屬性時，我們破壞了該副本。那么我們可能會通過反復測量耗盡所有的副本，這樣就不能再看到狀態了嗎？是的，我們可以這樣做，因為太多的測量似乎將最終使該狀態消失。

但是，我們不必對有限數量的副本感到困惑。它只是告訴我們，如果我們繼續試探一個系統以便對其進行了解，最終我們會將其變為另一個狀態。這完全符合我們的經驗。當然，只要你喜歡，你可以看著咖啡杯一直不動，但是改變不了這個咖啡杯。可是你不能這樣對待名師的繪畫，因為色素會在太多的光線下消失：你會改變這些油畫的狀態。如果你長時間持續地檢查一些足夠小的東西，比如說一個電子，即使是單個光子的反射也是一個很大的事情，所以你不用捕獲太多的副本就能看到不同的狀態。

量子達爾文主義告訴我們，從根本上說，真正的問題并不在于物理探測是否會擾亂被探測的內容（盡管可能會發生）。收集信息會改變情景。通過去相干性，宇宙保留了量子世界的精選亮點，這些亮點具有我們從經典世界學到的特征。我們一起來打掃這些信息，并在此過程中將其銷毀，每次一個副本。

去相干并不能完全解決量子力學的難題。最重要的是，雖然它顯示了量子波函數固有的概率如何減少到類似經典的細節，但它并不能解釋唯一性的問題：為什么在去相干之后的測量結果中，我們只看到其中之一。一些研究人員不得不將此作為一個額外的（你可能會說“超常理”）公理：他們將現實定義為量子理論+ 唯一性。

無論怎樣，多虧有了去相干理論，我們不再需要用量子去量化有些形成知識結晶的神奇而又神秘的事件。我們有一個數學理論來解釋信息如何擺脫量子系統并進入宏觀設備。我們可以用這個理論計算出這一過程發生的速度與強度。我們最終有了一個測量理論，而且這種理論沒有賦予有意識的觀察者特權地位，剝去了量子力學看似神秘的外表。

我們不再需要玻爾將世界任意區分為量子力學統治的微觀世界和必然是經典的經典世界。現在我們看到，微觀世界和經典世界是一個連續體，經典物理學只是量子物理學的一個特例。這樣看問題，常理就是量子感覺的一個直接和完全明智的產物。

常理來自看似與普通感覺相去甚遠的原則。

這種量子測量理論是對科學通常的運行方式的逆轉。我們通常把自己的常理和經驗看成理所當然，并從中推斷出更基本的物理行為。當然，我們發現的東西有時候似乎遠離常理，比如說太陽中心論、希格斯玻色子、黑洞等等，但是我們也逐漸將其視為理所當然，畢竟在我們測量的內容和宇宙中，所有的內容之間存在著一種不復雜的關系。

去相干理論并不把測量的常理觀看作理所當然。它的出發點是：世界從根本上受到量子規則的管理（這些量子規則看起來與經驗背道而馳），然后向上看是否可以恢復常理。注意：是“可以恢復”。

這就是為什么量子衡量理論可以被認為是一個“常理理論”。去相干理論解釋了常理來源，即遠離普通感覺的原則。那么我們面臨的挑戰就是使我們的本能常理與其量子起源相協調。但我們不再需要把這兩個因素看成相互沖突的，因為它們不僅一致，而且有著千絲萬縷的聯系。

明白了經典世界與量子世界之間的沖突不在物理學中，我們就可以得到安慰——原來它只存在于我們的心中。