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    量子退相干到底是什么意思
    发布时间:2019/12/25 14:42:16 阅读次数:184



    @也疏寒的回答已经很简洁清楚了。我恰好写过这个领域的科普,这里用更浅显的语言说一下。从宏观上来看,量子力学的叠加性和幺正演化非常违反直觉,诸如态叠加、干涉、不确定性、量子纠缠等等一切量子现象。然而我们在宏观世界中的经验告诉我们,这些怪异的量子现象不会再宏观世界中发生:一个粒子不会既在这儿又在那儿;一只猫不会既死又活;当你在跑步中和同伴相撞的时候,你们两个人也不会突然变成了两团波纹,互相叠加、干涉,然后毫无滞涩地穿过对方–你们只会撞在一起然后弹回去,不论你们如何努力地加快速度,你们都只能发现你们撞得更加头晕眼花,而不可能穿过对方。说到底,退相干想要回答的,就是这样一个问题:经典世界和量子世界为何会有如此大的不同?这就是所谓的“量子经典过渡问题”。这也是所谓的“测量问题”中最核心的地方。“正统”的哥本哈根诠释把这种不同当做理所当然:存在着某种边界–所谓的“海森堡边界”,把系统分为经典尺度和量子尺度。微观粒子必须满足量子力学,而宏观物体则是经典事物,需要用经典物理来考虑。随着尺度的增大,在某个时刻,量子力学就失效了,经典力学取而代之。我们不知道量子力学具体在何时失效,也不知道它为何失效,但是我们可以假设它在某时因为某种原因失效了–这就是“坍缩”。或者说,更加现代版本的哥本哈根诠释把量子态看做认识论的而不是本体论的:它描述了我们对物理系统的认知,而不是描述物理系统本身。叠加态不是物理状态,而是我们对物理系统的认知不确定性。因而观察者和观察行为就是独立于动力学方程的额外假设。当观察发生时,我们的认知发生突变,这就是坍缩。请参考:贾明子:18、哥本哈根诠释,成功与缺陷退相干理论基本上是不认可这种量子-经典边界的。它试图用单一的量子定律(也就是幺正演化)来囊括量子和经典现象。一言蔽之,经典力学是从量子力学中“涌现”出来的,不存在所谓的经典现象,经典现象不过是量子现象在宏观尺度上的涌现。在这个涌现过程中,并没有明显边界,就好像我们一粒一粒地将沙子堆起来,它自然而然就变成了“一堆”,但是它何时变成“堆”的?这个问题就没有明确答案。那么,量子世界和经典世界完全不同的现象之间,有没有这样一个桥梁,使得一个没有“量子-经典边界”的和谐统一的理论,自然而然地从微观现象过渡到宏观现象呢?如果存在这种桥梁,那么我们就要放弃哥本哈根诠释的那种独立假设的坍缩过程,转而用一个普适的理论来描述一切。我们就需要寻找到这样的一种机制:量子力学可以合理地把“坍缩”归结为一种表象的、涌现的效应,而不是一个我们强加给理论的突兀假设。这个桥梁,就是“退相干理论”。所谓“退相干”(Decoherence),从字面上理解,意思是“相干性的退却”,也就是说,叠加态之间相干性在经典世界中的消失过程。但是它所研究的涉及的更深层问题,就是前面说的“量子到经典过渡”的问题。也就是说,量子和经典两个领域之间的冲突,如何解决?这里的量子经典之间的冲突,被物理学家Zurek总结为三个问题:1、“干涉消失问题(lossofinterference)”:干涉现象在微观是普遍存在的,为何宏观中看不到任何干涉现象?状态之间的相干性是如何消失的?2、“偏好基问题(preferredbasisproblem)”:在量子力学中,态叠加是一个普遍存在、并且从逻辑上不可避免的现象:每一个量子态都可以看做是其他若干量子态的叠加。然而,在我们的经典世界中,我们日常看到的物体总是有确定的位置,而不是同时处于不同位置的叠加;总是由确定的动量,而不是同时处于不同动量的叠加。这究竟是为什么?何我们在宏观世界看不到一般的“叠加态”,而总是看到确定的位置、确定的动量这样的“经典状态”?为何诸如“确定的位置”之类的经典态如此特殊,被观察所“偏好”?为何我们看不到既在这儿又在那儿的桌球,看不到既死又活的猫,而只能看到一个确定位置的桌球或者要么死要么活的猫?3、“确定结果问题(outcomeproblem)”:如果说,偏好基问题指的是观察过程中的第一步,基底的选取,那么这个问题就是第二步,量子态向某个基底的投影。也就是说,即使是我们解决了偏好基问题,-能够合理解释为何宏观世界中“或死或活”的状态要优于“既死又活”的状态,我们仍然面临着另外一个问题:为何我们的观察能得到其中某一个确定的结果?我们的观察在“死或活”二者之间是如何做出选择的?粒子被观察时,在这一组偏好基中那么多的本征态中,是什么,使得粒子在被观察的时候,“选择了”某一个特定的本征态而不是其它?说到底,“玻恩规则”是怎么回事?“概率性”又该如何解释?退相干的核心,是不存在量子经典边界,不存在波函数坍缩,所谓的坍缩是在一个整体幺正的、无坍缩的纠缠系统中的一个子系统中幺正演化看似打破,以及从纯态到混合态看似“坍缩”的过程。说到底,观察意味着纠缠,而纠缠意味着量子态不可分割,进而扩散到一个更大的范围中。当我们不能同时观察这个更大的范围时,大量的纠缠信息就丢失了:它被扩散到观察所不能及的外部了。这里,纠缠系统的两个特性,不可分割性以及整体不等于部分的加和就成为“坍缩”的罪魁祸首。当我们观察一个量子系统的时候,系统与仪器必然形成纠缠,使得我们能够通过对仪器的观察获得粒子的信息。然而,当我们观察仪器的时候,我们就忽略了仪器与系统之间的纠缠信息,因而我们的观察结果在绝大多数情况下就是不完整的。事实上,只有那些“经典”的状态(确定的位置、动量等)才有可能在这个过程中不丢失,被我们接受到。这就是退相干理论的核心结论。对(仪器、光子)所形成的最大纠缠的系统而言,整个系统所包含的信息就可以分为三个部分:单独光子且不涉及仪器的信息H光子、单独仪器且不涉及光子的信息H仪器、以及共有信息(mutualinformation)H共有:不论我们观察光子还是观察仪器,我们都会把共有信息给丢失掉。抛弃了共有信息就等于抛弃了所有的干涉信息。也就是说,我们所抛弃的部分,是了解干涉信息所需要的必要信息,因而没有了它,我们就看不到干涉了–它只是扩散到更大的系统中去了。我们的“整体划分为不同部分”的观察方式就必然不能捕捉到全部的信息,所以我们看不到这种干涉。当我们能够对整个复合系统进行观察时,我们仍然能够观察到干涉的存在–然而一般情况下我们做不到。我们总可以尽我们最大的努力,力图获得更加完整的信息。也就是说,我们可以用额外的方法来观察光子和仪器的整体。然而这种试图,总是会引入更多的仪器。我们想要扩大我们的观察范围的努力往往不可避免地引入更多的系统参与到干涉中,从而导致干涉更进一步向外扩散。这就是退相干对第一个问题,“干涉消失问题”的回答。对于干涉消失的具体分析,请参考:量子力学中的「观测」是指人的观测吗?若是,那么我先用仪器记录下来,再观测记录结果,还会影响观测结果吗?另外本人做过一个直观的模拟,显示了这种干涉消失的过程,以及“消失”的干涉藏在哪儿:贾明子:可视化双缝干涉之三:干涉条纹去哪儿啦?理论上讲,我们有可能做到巧妙设计,使得系统信息不因为越来越多的纠缠而被扩散、“泄露”出去,这就是为何我们通过精巧的实验室设计而观察到干涉现象的原因。但是,在绝大多数现实情况下,我们仍然面临着一个极大的不可控因素–环境。在绝大多数情况下,环境会不断地侵入到系统之中,与系统形成或多或少的纠缠,由于环境自由度如此之巨大,最终使得这种纠缠成为压倒性的、不可避免的。孤立系统可以说是物理学发展史上最重要、做出贡献做大的概念之一:它使得我们的研究变成可能。在经典孤立系统中,我们总是可以通过适当地划分边界,合理地减少环境的干扰,让这个系统近似地处于不受外界任何干扰的孤立状态,然后我们就可以通过动力学方程和边界条件来描述这个系统。但是这个概念,在量子力学中却崩塌了。因为纠缠所引起的粒子间的关联,一旦形成就会永远保持下去,并且这种关联不但不受时间和空间的限制,而且不受能量传递和信号传递的限制,因而它是普遍的,并且是遍布整个环境的。无论我们怎么试图减少系统边界的扰动(能量传递),我们都不可能哪怕是些微消除这种广域的关联。所以说,系统与环境总是无时无刻处于纠缠之中,并且相互之间互相无法分割。我们强行在系统与环境之间做出划分,必然导致纠缠信息的损失,从而导致系统相干性的破坏–不存在孤立系统,量子系统永远都是开放的。于是,与环境不断纠缠的系统,就成为整个宇宙的一部分。整个宇宙严格地遵守薛定谔方程演化,但是,当我们只关心这个系统时,由于我们对不可分割的宇宙强行划分,我们就丢失了很多信息。这个系统就不再是幺正演化了,而相应地,纯态就变成了混合态–这是一个“假混合态”(impropermixedstate),因为在整体上它仍然是一个纯态。由于纠缠的原因,系统的信息泄露到环境中并且遍布整个环境。而幺正演化是信息守恒的。所以,当我们试图观察系统状态的时候,我们其实是在于环境“争夺”关于系统状态的信息。我们必须要知道,环境是巨大的,而我们是渺小的。环境巨量的自由度与系统之间的纠缠是压倒性的,因而系统的大量量子信息扩散到环境中而无法被我们捕捉到。我们只能获得关于系统状态的极少量信息:那些没有被环境“劫持走”的信息。那么,那些信息没有被环境挟持走呢?就是那些在纠缠中能够保持相对独立的那些信息。绝大多数信息都会因为与环境发生纠缠而泄露在环境当中消失无踪影,只有极少量的信息能够保持独立性。而这种可以保持独立性的信息,才是那些可以被我们观察到的。这些信息,就是在与环境相互作用中,不与环境发生纠缠的那一些。比如说,我们有这样一个系统,它会与环境发生特定的相互作用,而这种相互作用的结果,会使得它的某两个态矢量,和,分别于环境一起,发生如下演化:这里,和之间相互正交。它们与环境发生相互作用后,演化过程中仍然可以保持在张量积的形式,也就是说,在演化过程中,这两个状态不会与环境形成纠缠。因而,它们的信息就分别保持在独立的系统之内,而不会被环境“劫持”走。我们就总是可以通过观察获得这两个状态的完整信息。而这时候,对这两个状态的任意叠加(忽略归一化):那么,对于这样的状态,与环境发生相互作用的结果就会是如下的:我们发现,此时,在初始,相互独立的(系统)(环境)初态,经过演化后,就无法在表示成为(系统)(环境)的张量积形式–也就是说它们之间不再相互独立,系统状态与环境状态形成了纠缠。既然形成了纠缠,这个状态就被环境劫持,扩散到环境当中去了。那么,在我们对系统进行观察时,这个状态我们就观察不到–它损失掉了。这样我们就看到,和在与环境的相互作用中可以保持不发生纠缠,因而它们就能在环境的干扰下保持稳定,但是以它们为基底的任意叠加,就都不能保持这种独立性。也就是说,和是一对稳定的基底,而其他任何基底都不可能稳定–于是我们就有了一对偏好基。我们可以这样来看,整个外界环境形成了一个“筛子”,把这对基底之外的所有叠加态全部筛掉,只剩下这两个状态可以被我们观察到:系统与环境的相互作用替我们“选择”了一套我们能够观察到的“偏好基”,而屏蔽掉了它们的叠加态,使它们观察不到。这个,就叫做“环境选择”(Environmentinducedsuperselection,或者简写为Einselection)。那么,那些被环境的“筛子”保留下来的“偏好基”到底是什么呢?这个问题就需要对薛定谔方程的详细求解,过程中涉及到大量的数学,并且不同的情况这个过程会很不同,我这里无意进行详细推导。但是结果是明确的,那些被环境选择的,恰恰就是我们日常看到的经典状态:确定的位置、确定的能量、确定的电荷等等。或者这句话应该反过来说,正是由于它们被环境选择成为偏好基,才能被我们日常观察到,成为我们的经验,也就是所谓的“经典状态”因此,无处不在的环境影响,使得系统的状态信息不能完整地到达我们,从而被我们观察到。那些能够“适应”环境的,得以生存下来,而那些“不适应”环境的,统统被环境淘汰。这种量子信息在环境中的“适者生存”,与生物学中的进化论何其相似!因此,这个理论又被称为“量子达尔文主义”。这个过程,其实我们可以换一种角度来看待,就会清楚很多。请注意,在多世界的场景下,并没有什么特殊的观察者,任何与系统发生相互作用并形成纠缠的事物,都是一个观察者。退相干理论继承了这一核心理念。那么,由于环境无时无刻不在与系统之间形成纠缠,环境本身就是一个观察者,它无时无刻不在保持着对系统的观察。这种观察中,并没有一个有意识的观察者在观察链条的尽头接收这个观察结果,也没有类似磁盘之类的记录设备在记录这个观察结果,但是它的效果与观察并无二致。既然环境作为观察者,持续对系统进行着观察,如果按照哥本哈根的说法,系统就一直处于“坍缩”的状态。那么环境观察的是系统的何种可观测量、进而系统是向着何种确定状态坍缩的呢?自然界中绝大多数的相互作用(势函数)都有着相似的形式:它们大都是位置的函数。而观察,就是由这种势函数决定的。因而,在通常的这种相互作用下,环境扮演了一个对位置进行观测的观察者。因而,位置就总是能够在纠缠中保持独立,也就是说,系统总是在环境的观测下坍缩在确定的位置状态。这就解释了为何我们日常看到的物体总是有一个确定的位置,而不是多个位置的叠加态。爱因斯坦曾经对量子力学在经典领域的过渡问题上,曾经说过:“……对宏观系统的波函数要求其必须狭窄是违背量子力学基本公设的。……在宏观坐标中要求波函数的狭窄,不但是一个独立于量子力学之外的假设,而且是一个与之不相容的假设。”这里,爱因斯坦所谈论的“狭窄的波函数”,指的就是宏观系统中确定的位置。退相干理论中的Einselection过程,就提供了这种确定位置自然而然地从幺正的量子力学中涌现的机制。在这整个过程中,我们完全没有用到“坍缩”的假设,而只采用了量子力学的薛定谔方程。一个独立的量子系统必然要满足薛定谔方程,然而,在环境的干预下,独立的量子系统已经不复存在,只有(环境+系统)的这个大系统才可以被一个有意义的整体波函数描述–这个整体的波函数满足幺正演化。而单独的系统的状态就不是一个纯态,它的运动规则就不再是线性的和幺正的。环境的干预可以被看作是一个“筛子”,把所有的非经典的叠加态筛除掉而只留下我们日常所见的确定的位置这样的经典态;它也可以被看作是一个观察者,对系统的位置做出持续的观察导致它总是“坍缩”在一个确定位置上。这就是退相干理论对偏好基问题的诠释–我这里并没有说它解决了偏好基问题,因为说到底,幺正演化中的对称性并非如此简单就被解决。我们仍然可以继续向下刨根问底。既然量子力学中确定的位置与位置的叠加态并没有区别,确定的位置只是被一个与位置相关的环境相互作用筛选出来的,那么为何这种相互作用会与确定的位置相关,而不是与任意的位置叠加态相关呢?这个,已经不再是量子力学能够回答的问题了。那么,我们可以来看看退相干理论对著名的薛定谔猫有什么说法。从1935年薛定谔提出这个有趣的问题以来,大家一直以来习惯于把猫态描述成死和活的叠加,但是,我们必须注意到,严格讲,这个描述是错误的。一只猫,是由大量的微观粒子构成的复杂系统,它的每一个粒子,都可以由一些状态的叠加来描述。但是,请注意一点的是,猫的所有这些构成粒子数目是庞大的,大约为10^26个。这些粒子之间无时不刻不处于相互作用、因而也就是处于相互纠缠的状态,因此,作为一只猫的整体状态,是所有这些粒子共有的一个状态。请注意,这里我们讨论的是一只“孤立的”猫。因为按照我们前面的描述,只有当这只猫是完全孤立的时候,它独立的量子态才有意义,这是一个所谓的“纯态”。但是,一只“孤立的”猫是不可能存在的,因为作为一只猫,它必须要依赖于和外界的物质交换和相互作用才能存在下去,一个生命,必然是开放系统。因而猫不是猫,而是猫和环境的纠缠态的一部分。因此在这种纠缠态中,不但是构成猫的所有那些粒子之间互相无法分割,猫和“非猫”的外界环境也不可分割–它们是互为一体的,我们无法谈论单独的“猫态”。而我们对猫的描述,不可能包含它所处的整个环境,而只能是简单粗暴地“剔除”掉环境的,因而必然是不完整的。在这个“猫+环境”的整体系统中,我们只能把所有环境状态下对应的构成猫的粒子状态(“相对态”)进行一个综合平均–也就是说,我们忽略了这个量子态中大气粒子的那一部分,而把它们仅仅当做一个模糊的平均权数(这就是所谓的密度矩阵求迹)。因此,经过这样一个“过滤”过程,我们把这个整体中大气粒子过滤掉,同时我们必然会过滤掉大量的猫和大气共有的状态。这样做的后果就是,我们得到的猫态,就不是一个真正的、完整的量子态(所谓的约化密度矩阵)。因此所有构成猫的粒子的组合而产生的“死”和“活”也就不是真正的量子态,而是一种“约化”的量子态,它从表现上和经典的“非死即活”就完全一致,看上去,可以完全被当做是经典态了。总而言之,当一个系统与外界形成纠缠的时候,处于纠缠的状态之间的干涉仍然在整体重存在,但是从任何一个子系统看,都再也不会看到了:它们看起来,和一个经典态没有任何区别了。所以,一个系统一般而言不能被分成若干子系统独立对待,因为不论你研究哪一个子系统,你总是会把它们之间的纠缠信息丢弃掉,导致了最终结果就是,你研究完了所有的子系统之后,把它们组合起来,得到的结果并非系统整体的结果:整体≠各部分的加和。你看到一只活蹦乱跳的活猫,但是在你看不到的角落中,死和活和整个宇宙在一起纠缠着,干涉着。退相干所不能回答的,是第三个问题,“输出值问题”。也就是说,在所有的偏好基中,我们最终会观察到哪一个?它必须要与某种诠释相结合才行。例如,与哥本哈根诠释结合,退相干理论对哥本哈根诠释的重大贡献是指出了它最令人诟病的量子经典边界在何处,但是,它仍然需要保留坍缩过程,而坍缩过程仍然是与量子规律不相容的额外规则。更加普遍的是把退相干与多世界理论相结合。它们的核心理念一致:都追求普适的量子规则,都不承认量子经典边界。那么,所有的可能性都存在,世界只是“分裂”了。退相干对多世界理论的重大贡献就是指出了这种“分裂”是如何发生的。至于玻恩规则,已经有很多尝试,从幺正演化中推导出来,而不是把它当做基本假设提出来。可参见:贾明子:26、量子世界中拉普拉斯之妖的重生配合了退相干理论的多世界理论极其简单优美,近几十年多世界理论的受众急速扩张,退相干理论功不可没。
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