走进科学
如今的量子力学正在研究啥
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量子理论常常违反我们的直觉。相信大多曾对物理感兴趣的同学都能体会到这一点。大众普及版的量子力学中，现实就像一会儿是“粒子”一会儿是“波”的东西组成的疯人院。疯子们互相用“幽灵般的”方式交流着，直接打破了我们对于时空的传统认识。我们总觉得世界是由有形的、离散的物体构成——路边的树、房前的狗、面前的桌子——他们有着客观的性质，并且是大家公认的性质。而在量子力学的框架里可以明确定义的、经典的物体概念好像不复存在了。听着是挺荒谬的吧？备受崇敬的物理学家费曼也说过类似的话，“我希望你能接受大自然，她就是如此的——荒唐。”
首先要说的是，大众中流行的关于量子力学的图像都是错的。实际上，量子理论不会去说“粒子”变成“波”这样的话，或是搞得粒子像幽灵一样。严格一点来说，量子理论也没说过经典物体就不存在了。它不仅没有否认经典物体的存在，反而是对“物体为什么存在”给出了一个有意义的回答。在很多重要的方面，量子理论的现代表述恰恰解释了那些所谓常识的所以然。当然你也可以说，我身高超过一米四，不用像粒子一样考虑那些量子效应，量子力学对生活也没啥太大影响。可实际上，我们的世界包括我们的知觉都是以量子理论为基础的。
既然如此，为啥感觉我们现在一聊起量子力学就说它违反逻辑，搞得玄之又玄呢？追根溯源，我们得怪到丹麦物理学家尼尔斯·玻尔的头上了。在参与建立量子力学的先驱之中，玻尔是最深刻的思想者之一，他的直觉通常很准确。但在1920~1930期间，他在量子和经典世界之间挖了一条深壑。他说，两个世界遵循的基本原理全然不同，而我们只能默默接受。
格陵兰印制了1963枚邮票，纪念丹麦著名物理学家玻尔 credit:123RF
按玻尔的说法，量子力学没有告诉我们世界是怎样的，而只能告诉我们做实验测量的时候会发现什么。理论基于的数学工具所描述的是各种可能结果的概率。当我们进行测量的时候，获得的只是其中一个结果，这其中暗含的一点是：大自然做选择是随机的。量子世界是随机的(概率的)，然而经典世界(就是测量进行的地方)只包含特定的结果(确定的)。其中奥妙何在呢？这时玻尔告诉你，哦，本来就是这样的，别指望量子力学能给出更深刻的答案了。它已经告诉我们可能看到什么了，再要强求什么呢？
玻尔的“哥本哈根诠释”(哥本哈根学派，玻尔于1921年创立的物理研究所)并没有明确指出经典物理和量子物理之间的矛盾，但暗含了两者的不兼容。为了修补这一点，玻尔提出了所谓“互补性原理”。即：量子世界和经典世界是现实互补的两面，一面是我们熟悉的世界，另一面是量子的天下，二者不可得兼——至少，不能同时出现。
承认互补性原理对许多物理学家来说是艰难的妥协，因为这不仅仅规避了现实本质的问题，而是终结了这个问题。不过，互补性原来也指出了问题旳症结所在：所谓的“测量”操作到底是什么。物体好像可以通过测量从“概率”变成“东西”——具有了确定的状态、位置、速度等各种性质。换句话说，理解反直觉的量子世界如何让路给我们的常识经验，融合量子和经典观念的关键就是建立一个描述测量的理论。至于这一点则已经困扰科学家们许久了。
如今我们对此已经有了解释，虽然还未臻至完美，去除量子理论中显然的奇怪之处。但它足以让我们理解量子原理如何构建起经典经验世界，驱除之前的困惑而不必向互补性原理妥协。量子与经典之间并非不可逾越的鸿沟，而是一条有迹可循的小径。
解释“测量”是什么乍听起来挺奇怪。一般我们提到测量的时候似乎非常自然，没想过这里面有啥问题。一只足球有其位置、速度以及质量，这些量都可以被测到；当我在对足球进行测量的时候获得也就是它的这些性质。如是而已，有什么可深究的么？
在量子世界事情就没那么显然了。粒子的位置是啥呢，观测之前都是一个所有可能位置的集合。粒子的其他性质也是如此。量子物体属性的多个候选者如何转变成测量设备上特定的读数？导致设备指向那一确定结果的原因是什么呢？(量子性如何通过测量化为经典性)现代物理学的答案令人惊讶：测量行为实际上并不意味着量子性的坍塌以及向经典性的突变。
量子物体具有波的性质——意思就是说，理论告诉我们它们可以用“波浪”来描述——尽管是很特殊的波。这种波不需在任何介质中传播，就像水和空气中的波似的，它只能被描述为一种叫做“波函数”的纯粹数学客体，并能转变为概率值被我们探测到。
干涉，衍射等是波的典型特征 credit:锐景创意
因此，量子“粒子”(比如光子、电子、原子、甚至整个分子)都可以展现出“干涉”效应。“干涉”是波的经典现象，两个波峰重合时互相加强，波峰和波谷可以相互抵消。似乎我们在谈论干涉效应的时候很难不把粒子看成扭曲的“波浪”，(到底是粒子还是波啊)，不幸的是提出“波粒二象性”这个词也只是徒增困惑。其实我们在此描述的是粒子的“波函数”，这个词的出现也是形势所迫。讨论是“粒子”还是“波”实际上完全搞错了重点，两者都是经典的概念。我们纠结于这个问题是因为我们使用常识去理解量子世界。殊不知我们所谓的“常识”是经典世界的特征，又怎能期待把它用在量子世界里呢？
量子效应如干涉都是建立在不同实体的波函数是互相协调的(相干的 coherent)基础上。否则，量子效应就不会体现。也是这种“相干性”支撑着量子力学的“叠加原理”，即粒子可以同时处于两个或多个态。此处又要澄清一下，粒子不是真的同时处于两个态——我们不知道如何用经典的经验去描述它。但可以说，如果两个态的波函数是相干的，那么两个态都保有作为最终输出结果的可能性。
如果他们的波函数不是相干的，两个态便不能干涉，也不存在这两个态的叠加态，这一过程叫做“退相干”。它从根本上破坏了量子性，多个态从而表现的更像是我们熟悉的经典系统。宏观物体之间不能体现量子相干效应或是处于叠加态是因为它们不能被描述为一组“相干的波函数”。这才是量子和经典之间基本的分界线——而非它们本身就势不两立(像玻尔说的那样)。可以说，“量子相干性”从本质上定义了“量子性”。
那问题来了，什么导致了退相干呢？这就涉及到量子实体一个长期忽略的方面：它们周围的环境。量子系统实际演化过程中很重要的一点就是它们不是孤立的。正是周围环境的影响从一锅量子汤中召唤出了经典物理。
如今我们无从得知当年玻尔和同行们为什么没想到这一点，毕竟这涉及到的仍只是量子力学的基本原理，或许只能搪塞的解释说，科学史上类似的错过一点也不稀奇。研究者常觉得他们可以只关注他们感兴趣的系统，而忽略环境的影响或是仅将其作为背景的微扰。这么做是挺方便的，但在观测量子系统的时候就不能这么假设了。
退相干理论的基础由德国物理学家H Dieter Zeh在1970年代奠定。提出后仍然没太多人感兴趣，直到此后十年美国Los Alamos国家实验室的Wojciech Zurek发表的两篇论文将其带回公众视野。Wojciech Zurek生于波兰，一头卷发，聊起他对量子力学的重大发现，他一脸平静。当你得知他在John Wheeler的手下做研究之后，你就会理解这种这种平静了，那是美国一位近乎传奇的物理学，曾和玻尔共事，“虫洞”一词就是他创造的，黑洞的概念也是他发明的，往往打破常规。
Los Alamos国家实验室的Wojciech Zurek教授。credit:Los Alamos主页
Zurek已然成为退相干理论的重要创立者和倡导者，以之为中心概念的理论框架将帮助我们串联起量子和经典世界。这种联系基于这样的事实：量子相干性是可以传递的。如果一个量子物体与另一个量子物体相互作用，它们相互关联成为叠加态：某种角度来说，他们成为了单一系统，两个物体就此变得“纠缠”了。这词听着也挺奇怪的。这也是物体和环境相互作用时发生的过程——比如光子或空气分子的反弹，相干性由此扩散到环境中。
理论中，这个过程不会终结。纠缠态的空气分子撞击到另一个，把第二个拉进纠缠态。同时别的粒子也在撞击这个系统。慢慢的，整个系统和环境越来越纠缠，以至于无法再将其分成孤立的实体。
这种扩散也破坏了初始系统量子相干性的体现。因为叠加性成为了系统和周围环境共有的性质，我们无法再从整个共有系统的一小部分中看出叠加性——尽管这一小部分好像对应初始系统。这有点像“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。退相干没有让量子性(叠加性、相干性)丧失，丢失的是让我们探测到初始系统的量子性的能力。
只有在我们仔细观察所有纠缠的粒子时才能判断它们是否处于叠加态。这又该如何实现呢？难道要监测每一个和初始系统撞击的光子、分子以及相继碰撞的别的粒子吗？那这块拼图的碎片可散得太开了，有的碎片可能都不知道跑哪去了，尽管原则上每块碎片就存在在某处(量子力学保证的)，并且会一直存在下去，但基本没啥可操作性。这就是退相干的本质意义，我觉得可以描述成：“有效的”相干性的丢失。这是真实地、潜移默化地、以一定速率发生着的。
利用量子力学我们可以计算这个速率，从而通过实验测试退相干理论。Serge Haroche和同事于1996年第一次在巴黎高师进行了相关实验。他测量了原子在仪器——光阱——中和光子相互作用的退相干过程。退相干可以导致原子态之间干涉的消失，且实验观测和理论符合的很好。2003年的时候，维也纳大学的Anton Zeilinger和Markus Arndt团队成功观测到大分子间干涉消失的现象，大分子和气体分子的物质波碰撞，通过调节腔室中的背景气体而改变了退相干速率，实验和理论也是相符的。
退相干是非常高效的，可能是科学领域最高效的过程了。对于空气中漂浮着的0.01毫米大小的尘埃，退相干时间大概是10^-31秒：小于以光速穿过一个质子直径所需时间的百万分之一！即使在几乎孤立的星际空间，无处不在的宇宙微波背景——大爆炸的遗迹——也会使其在一秒内退相干。
星际之间非常空旷，但仍有宇宙微波背景的存在 credit:123RF
所以，对于日常生活中的宏观尺度的物体，就实际来说，退相干是不可避免且即时发生的：你无法让他们保持“量子的”。似乎量子物理想把那些原理藏在原子尺度之下，骗我们觉得事情就是我们日常经验的样子。但只要我们非常仔细的观察大自然还是能够发现其中的奥秘。
要注意的是，这种效应其实和我们一般语境里的“观测”没有必然联系。想把量子转换为经典，不需要有意识的大脑进行测量观察，只要有个充满“物体”的环境就行了。有没有人类，宇宙都是这样子。
退相干导致量子性质(叠加、干涉)的衰减只是理解测量的第一步。我们还要解释为什么经典的测量仪器会记录下他们记录下的那个值。严格地来说，我们定义叠加态的时候是和书写的数学形式有关的(基底的选择)。从量子的角度来看，每个态是等价的，都是方程的解。为什么有的态在退相干的过程中保留了下来并最终明明白白被仪器翻译出来，显示成读数或是指针位置，另一些不行呢？说起来有些拗口，为什么我们看到的是我们看到的这些态，而不能看到那些叠加态呢？
答案包括两个部分。首先，退相干诱导的与环境的相互作用不只是随意地缩减了初始系统的量子性。它还挑选出了具有特定数学对称性的态而舍弃了其它的。Zurek称之为“环境诱导超选择”(environment-induced superselection，einselection)。通过这种方式，“环境函数不是简单充当了垃圾回收车，而是作为交流渠道”，他说。
但对于一个量子态来说为了能让我测量到，仅仅从退相干中存活下来还不够。存活下来意味着这个态原则上是可测的——但我们还是要得到它的相关信息来探测到这个态。因而我们要接着问，信息是如何被实验者获得的。(谁会想到“测量”背后还有这么多事啊？)
对此问题，目前给出的答案是非常有趣的：这其实是因为一个量子系统在和环境相互作用的时候在经典的测量仪器上留下了“印记”。如果我们能用一架神奇的装置记录下所有和一粒灰尘碰撞的空气分子的轨迹，我们便能从中分析出灰尘的位置而不用直接去看到它；我们可以只监测它在环境上留下的印记。类似的，这实际上就是当我进行测量时——无论是测量位置还是别的什么性质——所做的事情：我们探测的不是物体本身而是它产生的影响。
当物体和环境发生了耦合，退相干便发生了，同时它也把物体相关的信息印在了环境上，相当于创建了一种副本。然后对物体的测量相当于从副本中提取信息。
Zurek和同事经过仔细的理论分析发现有些量子态在创建副本的时候比别的态更具优势：它们留下的印记更加稳定，也就是说，它们创建了更多的拷贝。这些稳定的态便是我们能测到的，并且最终在量子的沼泽中留下了独一无二的经典特征。可以说，只有“最适合的”态通过在环境中留下了足够多的副本才能在退相干中存活下来。Zurek称其为“量子达尔文主义”。
在自然界中，这种“适合”是由实体和它的环境共同决定的。有些环境利于诱导退相干却不利于保留可靠明确的副本。空气分子的碰撞就属于这一类。你可以从空气分子碰撞后的轨迹中重建物体的位置，只要你能在乱糟糟紧接而来的分子撞上来之前把信息收集好。
光子很适合用来保存印记，因为它们不会相互作用，在与物体碰撞之后携带的信息不容易打乱。所以说，咱们这些有机体广泛选择视觉作为可靠的方式探索周围环境可不是巧合而已！相比之下，嗅觉依赖的气味分子要穿过拥挤繁忙空气，就不是很可靠。有些动物在视觉没用的时候也会用到它(比如在晚上)，但使用者要捕捉住弥散开的若有若无的踪迹，比不上视觉发现目标直接。
Zurek和同事Jess Riedel已经能计算出简单情况下这种拷贝扩散有多快多广，比如一粒真空中被阳光沐浴的灰尘。他们发现，仅仅在被照射1微秒之后，一粒一微米的灰尘就拷贝一亿份位置的印记。
正是这些众多的印记使得这些物体看着具有客观的、接近经典的性质。因此，10个观测者分别测量灰尘的位置而能得到一致的答案。每一个观测者消耗了灰尘反射的不同的光子携带的不同副本。从这个角度来说，物体的客观位置不是因为它确实“拥有”这个位置(随便这个词什么意思)，而是因为它的位置在环境中留下多个不可分辨的副本。此等习以为常之事其实建立于坚实而艰深的的量子理论之上。
以上图像有一个看似怪异的推论。既然我们每次测量一个系统性质的时候就消耗了它在环境中的一个副本。那有没可能把拷贝用完，最后再也测不到这个态了？答案是肯定的：太多的测量最终会让这个态看着像消失了。
但也不必为有限拷贝数量这一结论大惊小怪。它就是说，如果我们不停地探测一个系统来了解它，最终我们会把它扰动到别的态去。这和我们的经验也是相符的，你大可在太阳下欣赏(观测)你的咖啡杯，也不用担心会改变它，但对着一幅古董画就不能这样了，因为颜料在过度的光线下会褪色：你会改变它的状态。对于足够小的东西来说更是如此，比如你打算长期地观测电子，一个光子的反射就已经影响很大了，所以在它转变为另一个态之间就制造不了几个副本。
如何理解“测量” credit: 锐景创意
量子达尔文主义告诉我们，本质上，问题的关键不在于物理探测是否改变了被探测的物体(尽管这确实发生)，而在于收集信息改变了这个理论图景。通过退相干过程宇宙选择保留下了量子世界的一些代表者，这些代表者具有我们从经典世界中习得并期待的特点。一直以来我们都在清扫这些信息——也销毁了这些信息拷贝，一次一个。
退相干理论还不能完全解决量子力学的问题。最重要的一点是，尽管它指出了从量子波函数固有的概率性收缩为经典形式的个别性的路径，但没有解释结果独特性的问题：从退相干中存活下来的“优势态”(仍然不唯一)都是可能的结果，为什么我们看到的是只是其中一个。一些研究者觉得不得不把这条作为额外公理(你可以叫它“超常识的”)：于是他们把现实定义为量子理论加唯一性。
不论怎样，多亏了退相干理论，我们不再需要把量子测量描述的神神秘秘。我们拥有了一个可以描述信息从量子系统流入到宏观仪器的数学理论。利用这个理论，我们能计算这个过程有多快、是否稳定。我们终于有了一个测量理论。并且其中没有给有意识的观测者赋予什么特殊的地位，剔除了量子力学中一直以来看似神秘的一点。
我们也不再需要玻尔那套说辞，把世界随随便便分割成量子力学主导的微观和经典力学支配的宏观世界。现在我们可以看到两者其实是连续的，进一步说，经典物理只是量子物理的特殊情况。基于此，所谓我们的经验认知完全是量子认知的直接产物。
测量的量子论和一般科学探究的过程不同。通常我们把人类常识和经验视为当然，据此追根溯源推测一些更加基本的物理行为。尽管有时其间的路非常曲折漫长——日心说、希格斯玻色子、黑洞等等，但我们一般会接受这些观点，亦即相信实际存在的和我测得的之间有着简单的联系。
退相干理论没有理所当然地接受对于测量的常识性理解。它建立在“世界根本上由量子原理支配”这一点，得出的结论表面上与经验相悖，而继续向上推导的结果显示它可以囊括常识。
这也是为什么测量的量子理论也可以被认为是解释常识的理论。退相干理论解释了常识的起源——隔了好远的量子理论。我们所面对的挑战就是要把本能的常识和其量子来源调和起来。不必担心两者会冲突，因为两者一致且不可分割的。
接受以上这些之后，我便能安慰自己说：经典理论和量子理论在物理上是不会有冲突的，有也是我们想出来的，绝对的。
原作者 Philip Ball