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月亮只在我们看着它的时候才存在吗?

2018-11-13 11:22| 发布者: gooyeah| 查看: 18| 评论: 0

摘要: 利维坦按:重度怀疑主义患者大多曾经有过这样一般设想,这个世界上除了自己,其他人都是如《楚门的世界》里那些扮演居民的演员。他们可能在你观察不到的地方大肆讨论剧本走向,而当你回过头盯着他们的时候,则瞬间进 ...


利维坦按:重度怀疑主义患者大多曾经有过这样一般设想,这个世界上除了自己,其他人都是如《楚门的世界》里那些扮演居民的演员。他们可能在你观察不到的地方大肆讨论剧本走向,而当你回过头盯着他们的时候,则瞬间进入演戏状态。这是缸中之脑命题的另一种变体,也是休谟对哲学感到悲哀的原因。


在每个人初识量子力学的时候,相似的感觉总会席卷而来。薛定谔笼子里的猫究竟是生是死?月亮是在我们看着它的时候才存在吗?量子力学荒诞的色彩令人心生疑惑,而本文对于这些不确定性给出了一个解释——我们忽略了时刻在观察系统的环境。


佛说一切皆虚妄。按照这套逻辑,虚妄的不仅仅是猫或者月亮,每个人都身在其中。



文/Philip Ball

译/乔琦

校对/斩光

原文/www.theatlantic.com/science/archive/2018/10/beyond-weird-decoherence-quantum-weirdness-schrodingers-cat/573448/

本文基于创作共同协议(BY-NC),由乔琦在利维坦发布


 

图源:Javier Zarracina/Vox


之前我就暗示过,“大家都知道”的有关量子力学的那件事就是:量子世界模糊难辨、毫无确定性可言。实际上,还有一件大家都知道的事儿:薛定谔的猫


薛定谔的猫,这个梗人尽皆知,所以也衍生出了很多笑话,比如:薛定谔正开着车,警察让他靠边停,后者检查过车辆之后就问薛定谔,后备厢里有没有什么东西。


“有只猫,”薛定谔回答。


警官打开了后备厢然后大叫:“嘿!这猫死了!”


薛定谔生气地回应:“好吧,都怪你,现在它确实死了。”


这类物理学笑话就这样传播开来,也不是什么坏事。至少,它证明,薛定谔非常成功地为量子力学找到了一个脍炙人口到足以成为文化模因的通俗说法。


我们甚至可以认为,薛定谔实在是过分成功了。时至今日,他的猫仍旧会被大家拿出来说事儿,微观尺度量子世界向人类尺度经典物理学世界的转变过程似乎仍旧是个未解之谜。而实际上,人类如今已经很大程度上理解了这个所谓的“量子-经典”转变。时代在进步,物理学在发展,这个问题的现状也和近百年前的情况大不相同了。如今,对于“量子力学为何及如何向经典物理学转变”这个问题,我们已经能够作出比薛定谔及其同时代人准确得多的描述。这个答案既简洁优雅又颇为令人惊讶。


实际上,在宏观尺度上并没有其他种类的物理学替代了量子物理学,而是量子力学催生了宏观世界中的经典物理学。从这个观点上说,我们的日常生活、我们通常所讲的“现实”其实只是:在身长七尺的你看来,量子力学究竟是什么样子的。你甚至可以说,这一切都是量子力学。


那么,现在的问题就不再是为何量子世界如此“奇怪”了,而是为什么我们的世界看上去不那么奇怪。


在薛定谔那个时代,理解“量子-经典”物理学转变就好像是要穿越横亘在两片大陆之间的海洋一样:你也许可以随意在无边大海中的某处划出一条分界线,但大海两岸的两块大陆却实打实地明显不同。薛定谔说,量子力学这块大陆充满了随机性,完全无法预测,而经典领域却是井然有序、确定可测,这是因为,后者依赖的只是基于量子混沌上的统计规律。


1925年,玻尔(左)与爱因斯坦。图源:Quanta Magazine


1935年,薛定谔提出了他的那个“邪恶”(薛定谔本人原话)思想实验(即薛定谔的猫),其目的是要挑战尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)对量子力学的诠释。和阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)一样,薛定谔也对玻尔的解释持怀疑态度。


玻尔对量子力学和经典物理学作了严格区分,并且认为观测就是区分这两种物理学的过程,这都没什么问题——然而,按照这个理论,如果在没有观测发生的条件下出现了量子力学与宏观理论耦合的情况,又该如何解释呢?当时,薛定谔正在寻找一种他称之为“荒谬情况”的案例:一种归谬法。


图源:Philosophical Explorations


这里我们不逐字引用他的原话,关键是,在这种“荒谬情况”之下,我们面对的是各种宏观状态的叠加态,而这些宏观状态不仅是看似匪夷所思(比如一个硕大的物体“同时出现在两个地方”),而且在逻辑上根本就不相容。对此,爱因斯坦提出了一桶火药处于爆炸与未爆炸的叠加态的例子,而薛定谔则拿他的猫当了赌注——猫的生与死取决于一个量子事件,比如某种原子衰变产生的辐射。如果玻尔所说的是正确的,也即在我们观察之前,原子的状态无法确定(即处于一种叠加态),那么猫的状态也应如此。


薛定谔的猫让我们不得不重新思考这个问题:究竟用什么方法才能将量子力学从经典行为中区分出来?玻尔坚持认为,除非我们能够分辨出量子力学与经典物理学之间的区别,否则此二者就是本质上完全不同的东西。我们又为什么应该接受他的这个主张?


在思索这些问题的过程中,我们可能会提到那些经典物体(比如咖啡杯)拥有而量子物体不必拥有的特点,例如:明确的位置和速度,或者那些局限于物体本身但并不会通过空间神秘扩散的性质。我们也有可能会认为,经典世界由确定性定义,而量子世界(在对其进行经典测量之前)只不过是一条由概率织成的地毯,单次测量结果完全是随机的。不过,这种区分方式的本质还是在于量子物体有波的性质——也就是1924年薛定谔为量化描述量子物体的行为而提出的那个方程。这个方程告诉我们,在描述量子物体时,应该把它们想象成波——哪怕只是一种仅描述概率的特殊而抽象的波。


图源:NASA


诸如干涉、叠加以及纠缠这样的鲜明量子现象正是源于这种波的性质。当量子“波”之间出现一种明确关系的时候(从效果上说,就是当它们处于某种形式的同步状态时),这些现象就可能会出现,而这种同步状态就称为“相干”。


这个概念来自普通波。有规律可循的普通波干涉现象(就像双缝实验中的那种)也只在干涉波振动出现相干时才会发生。如果波与波之间不存在相干性,那么在最终产生的混合波波幅中就不可能有系统性的波峰和波谷,也不会有规则干涉图样,只会有随机产生的一些毫无特征的变化图样。


处于位置叠加态的物体(以黄绿色表示)与环境粒子相互碰撞,由于量子纠缠,物体的相干性质会被泄漏至环境。图源:Quanta Magazine


与普通波类似,如果两种状态下的量子波函数不相干,那么它们既不可能发生干涉,也不可能保持叠加状态。因此,相干性的缺失(也就是退相干)会毁灭这些基础量子特性,而所涉及的各种状态也会表现得更像特点鲜明的经典体系。宏观经典物体既不会出现量子干涉现象也不会以量子叠加态存在,因为它们的波函数不相干。


图源:Tenor


注意我的用词:它们的波函数不相干——但还是有波函数的。因此,仍有必要从波函数的角度细细思索一下这些宏观物体。毕竟,它们是由量子物质构成的,并且也因此可以表达为各种相关波函数的组合。只不过,这些波函数所表现的就是宏观物体的鲜明特征,比如咖啡杯在这儿或在那儿,这两种状态并不相干。本质上说,量子相干其实就是表达“量子性”的前提。


目前看来,从原理上说,无论物体有多大,它们都完全可能处于量子相干态之中——只要我们还未对其进行测量。不过,似乎测量过程确实能够以某种方式消灭量子相干,以致我们不得不声称,测量后波函数“坍缩”了。如果能弄清楚测量过程是怎样退相干的,我们就能够将测量过程纳入量子理论的范畴中来,而不是将其作为量子理论的边界。


量子物理的一个重要特征是“叠加态”。如上图,经典物理中,板仔只能在一个位置静止(左侧或者右侧),但如果这位板仔也可以表现出量子物理的特征的话,他就可能处于两侧位置的“叠加态”中,即同时在两个位置存在。图源:NIST


理解量子退相干的关键要素是,在所有科学研究中都很大程度上被忽视却无处不在的客观实体:周遭环境宇宙中任何实际存在的系统都会坐落于某处,被周围的其他物质包围,并且与其发生相互作用。薛定谔可以把他的猫放到密封的盒子里,但如果要想猫有活下来的可能,首先就必须保证里面有足量的空气。此外,猫也必然会处于某种表面之上,那么它和表面之间必然存在热量交换。


在量子力学中,环境因素在事件的发生方式上扮演着核心角色。事实证明,能从量子汤中召唤出经典物理学幻象的就是环境。


人们常常认为,像叠加态这样的量子状态纤巧脆弱。把它们放到噪声环境中(故事通常就是这样讲的),环境产生的摇晃和振动就会摧毁这些脆弱的量子态,波函数随之坍缩,而叠加态也随之粉碎。然而,这种观点并不完全正确。实际上,如果量子力学为我们描述宇宙提供了最为基本的一种解释,那为什么量子态就应该是脆弱的呢?如果量子态这么容易就消亡了,这样的物理学定律又算什么东西呢?


真相是,量子力学并非胡说八道,而量子叠加态也并不脆弱。恰恰相反,它们的蔓延性极强并且易于迅速扩散,而这似乎就是它们湮灭的原因。


图源:Astronomy & Astrophysics/Tumblr


如果一个处于叠加态的量子系统和另一个粒子发生了相互作用,这两者就会产生联系,形成一种复合叠加态。这其实就是量子纠缠:两种粒子的叠加态,相互作用使得它们转而形成了单个量子实体。这和光子被量子粒子反弹开的过程并没有什么不同:光子和这个粒子有可能也因此产生了纠缠。


与之类似地,如果这个粒子一头撞进了某个气体分子中,它们之间的相互作用也会将这两个客观实体置于纠缠状态之下。实际上,据量子力学推测,在这样的相互作用之下,纠缠态是唯一可能出现的结果。结果就是——你可以这么说——量子性(也就是相干性)在这个过程中向远处传播了一点儿。


理论上,这个扩散过程没有止境。那个产生了纠缠的气体分子又会撞击另一个分子,于是,这第二个分子也会进入纠缠态。随着时间的流逝,最初的这个量子系统和其所处环境之间的纠缠度就会越来越高。从效果上说,此后这个系统就不再是那个虽嵌在环境中但界限分明的量子系统了。这个系统和其所处的环境合并成了单种叠加态。


所以说,量子叠加态并没有真的被环境摧毁。相反,它们将自己的量子性注入到了环境之中,持续稳定地将整个世界转变成一个大量子态。


图源:Quanta Magazine


正是这种扩散使得原初量子系统中的叠加态不再外显,因为扩散后叠加态就已经成了量子系统和其所处环境共有的特性,我们不可能通过观察其中的一小部分就再次“看到”这种叠加态,正所谓“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。我们理解为退相干的这种现象,其实不是叠加态的丢失,而是我们在原初系统中观察叠加态能力的缺失。


只有细致观察这个量子系统以及其所处环境中的所有纠缠粒子之后,我们才能够断言它们处于相干叠加态。那么我们怎么才能做到这点呢?去监测每个反射回来的光子、每个发生了碰撞的空气分子?显然做不到。一旦量子性外泄到了环境之中,通常来说,我们就永远不可能再将叠加态浓缩回原初系统当中了。


因此,退相干是一个以特定速率逐渐发生的真实物理事件。对于某些相对简单的系统来说,我们可以用量子力学来计算这种速率:计算出退相干发展到我们不再能观测叠加态的程度所需的时间,也就是计算出某量子物体处于两个不同位置时的相应波函数的干涉状况被破坏的时间。这两处位置在空间中相距越远,它们之间的相干性就会越快与环境发生纠缠,量子性也会越快外泄到环境中去。


图源:Tumblr


就拿我书房中的一颗微观尘埃颗粒(直径百分之一毫米)来说吧。如果它所处的两个位置之间的距离大致相当于其自身尺寸,那这两个位置对应的波函数多久之后就会退相干,以确保这两个位置不会重合呢?此处我们不考虑光子——就假设房间是完全黑暗的好了——只需考虑尘埃颗粒与其周围所有组成空气的气体分子之间产生的相互作用即可。量子力学计算告诉我们,这个退相干的过程大约需要10-31秒。


这实在是太短了,我们几乎可以声称这种退相干是即时发生的。一个以光速传播的光子从一个质子的一头走到另一头所需的时间是这个时长的100万倍以上。所以,如果你想在我的书房里看到尘埃颗粒处于两个并不重合的位置的量子叠加态,那你可能就要大失所望了。


对微观物体来说,实际上我们可以规避退相干。这才是关键——正是因为可以规避退相干,我们才可以对那些处于量子叠加态的原子、亚原子粒子以及光子展开实验。对那些大分子(比如蛋白质大小的那种)来说,如果它们漂浮在我们四周的空气中,退相干会在10-19时间内完成——但是,如果在相同温度的绝对真空中,它们保有相干性的时间可以长达一个多礼拜。


对宏观叠加态来说,退相干使我们不再能观察到这种量子状态——其中就包括薛定谔的活/死猫。而这和通常意义下的观测其实毫无关系:我们并不需要为了让“波函数坍缩”而特意去“看”。我们所需要做的,只是等待环境驱散量子相干性。当退相干过程完成后,我们就从量子多重性中获取了经典唯一性。


图源:Reddit


爱因斯坦曾向当时的年轻物理学家亚伯拉罕·派斯(Abraham Pais)表达过自己对玻尔在量子怪诞性上所持立场的不满。“我记得,”派斯写道,“当时我和爱因斯坦一起散步,他突然停下了脚步,转过身,面向我,问我是否真的相信月亮只在我们看着它的时候才存在。”了解了退相干的机制后,我们就可以回答爱因斯坦的这个问题了。,哪怕没人正在赏月,月亮也实打实地高悬在那儿——因为,环境已经“测量”了它,并且未来也会永不停歇地持续“测量”。太阳光照射到月球表面并反弹回来的所有光子就是退相干的媒介。它们的存在已经足以将月亮的位置固定在空间中,并且还为我们描绘了其鲜明的轮廓。宇宙总是在观察,一刻不停。



本篇文章摘自菲利普·鲍尔(Philip Ball)的新书《超越诡异:为什么你以为你知道的关于量子力学的一切都早已不同了》(Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew About Quantum Physics Is Different)。










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