从“多宇宙”到“退相干”

如果量子叠加是真实的话，为什么火星不会从它的轨道上散发开去呢？

——“中子物理学”之父恩里克·费米的疑问

上次我们说到，在量子世界中，万事万物都具有一种奇妙的特性，即叠加性。电子可以“又在左边又在右边”，小球可以“又是红的又是绿的”。

这个古怪的观点在历史上曾引起过轩然大波，很多物理学家都强烈地反对这种观点，因为它的荒谬连一个普通人都能够看出来——有谁在日常生活中见过任何一种东西正陷于这种叠加态吗？有谁见过一粒子弹同时打中了站在相反方向的两个人吗？有谁见过一只猫既是活的又是死的吗？有谁见过月球同时沿着无数条不同的轨道，以一种魔幻般的方式环绕地球运转吗？

既然在宏观世界中，这些现象从来都没有发生过，而且我们也颇有信心地认为它将来也不太可能发生，那为什么要承认万事万物就必须处在叠加态呢？要知道量子力学是一门普适的理论，就好比牛顿定律不但对苹果有效、对恒星也同样有效，量子力学不应只适用于微观尺度上的物体、对宏观世界的物体也应该同样有效。一个电子具有它的波函数，一个足球同样也具有它的波函数，而世上所有东西的波函数都按照一个客观定律在发展：那就是薛定谔的量子基本方程，不是吗？

看来，真相无非有这样几种可能：要么量子力学根本就是错的，它只不过碰巧取得了历史上那一系列辉煌的成功而已，我们现代社会中的原子弹、核电厂、半导体、电子显微镜、计算机、激光……诸如此类，都只不过是一个错误的理论碰巧做出的贡献罢了。显然，这种结论不能教人心服口服，而量子力学本身也在以它压倒性的力量不断反击着种种质疑。这场较量从量子论诞生的第一天起便已展开，在上世纪40、50年代曾一度达到高潮。我们看到，在反对者中甚至有好几位量子论的创建者，包括薛定谔本人。但一个世纪过去了，量子论抵挡住了来自任何人的攻击，至今为止它和所有的实验都相符，还没有找到一个它所无法解释的物理现象。薛定谔方程被证明是我们宇宙的基石，因此，我们必须正视“量子叠加”这种奇异现象的存在。

如果基本方程无可更改的话，我们似乎只剩下两种选择了。第一，承认量子叠加确实是一种普遍存在的物理现象。不仅电子的波函数会如此，你我的波函数也同样正在叠加中。好比今天的午饭提供了两种菜谱，牛排或者是鱼，我必须做出一个决定。从量子力学的观点来看，我的波函数确实处在一个“吃牛排/吃鱼”的叠加状态，严格地说，“我”是又吃了牛排又吃了鱼的。

然而我心里明白，这种好事实际上并没有发生。那又该如何解释呢？物理学家们提出了一大堆承认波函数始终叠加的解决方案，其中最有趣的一种是认为必须把这种叠加放到整个宇宙的层面上去理解。换句话说，叠加的不仅仅是吃牛排的我和吃鱼的我，还包括了整个宇宙在内！在我决定吃什么的一刹那，整个宇宙的波函数都进化了，发展出了两种本征态，一个包含了吃牛排的我，另一个则包含了吃鱼的我。

这是一种彻头彻尾的精神分裂症。

——“多宇宙论”的坚定拥护者德·威特在第一次听说它时所发表的评论

这就是说，在这个宇宙中所发生的任何行为，本质上都是宇宙本身波函数所发展的结果。我吃牛排还是鱼的行为，影响的不仅仅是我自己的波函数，它还导致整个宇宙的“分裂”。最终叠加的不是“吃牛排的我”和“吃鱼的我”，而是“我在其中吃了牛排的宇宙”和“我在其中吃了鱼的宇宙”。

不光如此，实际上每一个所发生了的量子事件，都使得宇宙产生了一次“分裂”。宇宙是一个巨型波函数，它是由无穷多个几率幅所构成的一个不可思议的复合体，其中包含了自开天辟地以来所有可能发生的事件。在这种理论看来，恐龙至今仍然存在着——从白垩纪到第三纪的时候，宇宙曾产生过无数次量子分裂，在我们如今呆着的这条分支线上，恐龙确实灭绝了，但在许多种别的发展方式下，那颗致命的彗星轨道稍稍偏转了一点点，与地球擦身而过，于是这些爬行动物生存繁衍至今。那样的一些宇宙和我们如今所在的宇宙是共存的，所有的这些宇宙都是我们宇宙实体的一个分身，它们以量子叠加的形态构成了宇宙波函数本身。

总而言之，我们现在所看到的宇宙，其实只是真正的“宇宙”的一个极小极小的切面，只能叫“分宇宙”。另外还存在着无数个稍有不同的分宇宙，它们的叠加才是真正的“宇宙”本身。每一次量子事件都导致更多的分宇宙产生，其数目趋于无穷，这在量子力学中被称为“多宇宙”解释。

好吧，尽管不少大物理学家如霍金就赞同过“多宇宙论”，但它确实古怪得几乎无法能让常人接受。让我们再换一条思路来考虑问题。如果不想承认宇宙在不停“分裂”的话，我们只能假设存在着这样一种机制，它使得宏观世界中的物体一旦受到任何观察，就在瞬间发生了某种突变，它的波函数一下子从原来的叠加状态变成其中一个确定的本征态。也就是说，当小球藏在盒子里的时候，它可能真的“又是红的又是绿的”，但只要我们把它拿出来观测，它就立刻发生了奇妙的变化，随机地变为红色或绿色，而不再处于叠加状态。

这种魔术般的过程传统上被称为量子态的“坍缩”，是物理界长期采纳的一种正统说法。由于最早提出这种解释的物理学家基本上都来自量子力学的大本营——哥本哈根的玻尔研究所，因此也被称作“哥本哈根解释”。按照这种说法，万事万物本来都是处于叠加态的，但只要我们一“观测”它们，它们就立刻“坍缩”，使我们踏破铁鞋也找不到一只又红又绿的小球。

虽然这在很长时间内是一种主流理论，但由于人们长期无法说清这种“坍缩”究竟是怎样一种物理过程，因此在历史上引发了无数争论。爱因斯坦曾问道，在没有人看着月亮的时候，难道它就不存在了吗？由此引发的难题更是一个接着一个：为什么物体一被观测就得坍缩？坍缩是怎样进行的？什么叫做观测？只有人能够观测吗？当物体被猫观测的时候它会不会坍缩？被仪器观测呢？

甚至一度有人认为，“观测”的主体只能是有意识或者有智慧的生物。只有人才可以让波函数坍缩，猫就不行，因为猫没有“意识”或者“灵魂”。物理学险些成为讨论灵魂问题的论坛。

我做实验的唯一目的，就是想让别的物理学家们都看看，量子论究竟有多奇怪。

——“退相干”理论的创始人之一安东尼·塞林格的访谈

幸好近几十年来，科学家们更深入地探讨了量子叠加过程的本质。他们发现，这种表面上的“坍缩”，或许更多的是一种与环境互相作用的结果。怎么说呢，一个小球如果是“与世隔绝”的，那么它的波函数确实在严格地按照量子方程发展，处于“又红又绿”的叠加状态。可一旦你打开盒子，让它与环境发生复杂的接触，可以通过量子力学本身证明，存在着一种机制，使得小球系统的不确定性“泄漏”到了整个环境之中。在与环境作用之前，小球处在红球和绿球叠加的“相干态”，而与环境作用之后，这种相干消退了。这样的一个过程称为“退相干”过程。

今天，退相干的机制经过反复实验，已经在很大程度上得到了证实。量子系统之所以在宏观体系中不能出现在微观层面上的那些神奇的叠加场面，或许就和宏观物体无可避免地与环境发生复杂接触有关。试想一只猫与环境所发生的接触，显然远远大于一粒电子，而且几乎是无法排除的。因此，电子或许可以同时通过两道狭缝，但猫却很难同时向左和向右。

值得注意的是，“退相干”并没有解决量子力学的内在问题。我们只能说，系统的不确定性在“退相干”过程中被“稀释”到了环境中，但“退相干”没有消灭这种不确定性。打个比方，一滴水（系统）可以是滚烫（不确定）的，而“退相干”好比把这滴水放到了整个大海（环境）中，于是我们再也感觉不到烫了。但问题是，这种机制并没有使原先的那些热量就此消失，它只不过是被包容到了更大的环境中而已。当任何系统发生退相干而脱离叠加态之后，我们只能说在我们（环境）看来，这个系统的不确定性消失了，但如果把我们包括在内的话，系统的不确定性依然存在。

从这个角度上说，“退相干”只是一种解决局部难题的方案。从根本上来讲，宇宙是否真的一直处在量子叠加态，究竟应该如何解释量子力学，这仍然是物理学中最大的难题之一。量子力学不是一门已经完成了的学问，21世纪肯定还会有一些惊人的发现。

在了解了量子叠加和“退相干”之后，我们终于可以来实际地讨论量子计算了。

曹天元：上世纪80年代出生于上海，曾赴美国求学。现居香港，从事金融工作。除量子学外，战争史也是他的研究兴趣之一，曾在专业杂志发表多篇明清史论文。

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