Question

从量子力学看宏观世界

Answer 1

在量子力学中经常会出现令人费解的现象，例如一个粒子可以同时出现在两个地方。与直觉相悖的量子力学原理是如何作用于我们的宏观世界的？是否可以确信，即使在没有观测者的情况下，我们的宏观世界也不会表现出量子态？

从量子微观力学到经典宏观力学之间的转变，我们姑且称之为量子-经典转变。在这个转变中，随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度，模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界。

在早期，量子力学家们处理量子-经典转变就像是变戏法，他们不得不在量子力学中加入一些东西才能使它转变到经典物理。但是现在有强烈的迹象表明，量子理论本身可以自然而然地出现这一转变。如果确实如此，那它暗示着“经典”物理只不过是另一种量子现象而已。有充分的理由相信，我们和量子理论所描述的微观原子和电子一样是量子世界的一部分，

检验新的量子-经典转变理论牵涉到从光子到超导再到微观振梁的一系列实验。由于这些实验的目的是为了寻找宏观物体上的量子效应——类似于探测一只苍蝇落在旧金山金门大桥上所造成的桥体沉降，因此它们会将现有的实验技术推向极限。除了自身很小以外，这些效应还会快速减小，以致于许多物理学家相信去探测这些效应本身就显得荒诞可笑。一些人会说：“量子力学当然会起作用——书上就是这么写的”，另一些人会说：“量子力学肯定不会起作用”。

当前对这一现象的研究又有了迫切的现实意义，认识量子-经典转变对于新兴的量子信息技术领域至关重要。而这一领域有望在未来为世人提供超高速的量子计算技术以及极其安全的数据加密和传输技术。这些现实的应用可能要倚赖于在大尺度上抑制宏观行为同时又维持物体量子特性的能力。

部分地来讲，这是一项技术上的挑战，而有关量子-经典转变的实验将有助于研发相应的技术手段。但同时这也是一个对基本理论认识的挑战。今天对于量子行为的解释和当年尼尔斯·波尔、维尔纳·海森堡、阿尔伯特·爱因斯坦以及其他人创立并且争论这一理论时如出一辙。

为了理解量子-经典转变的真正含义，可以把我们熟悉的经典物理世界看成是一个“非此即彼”的地方。换句话说，指南针不能在某一时刻既指向南方又指向北方。与之形成对比的是，量子世界是一个“模棱两可”的地方。在那里，一个被磁化的原子可以毫不费力地同时指向两个方向。同样的情况也能发生在其他的物理属性上，例如能量、位置或者速度。一般而言，量子世界中这些物理量可以同时具有不同的取值，因此你能描述的仅仅是这些取值的概率。对于这种情况，物理学家们将其称为量子“叠加态”。

因此，了解量子-经典转变的核心问题之一就是当你从原子尺度进入苹果尺度的时候量子叠加态发生了什么变化？更确切地说，“模棱两可”是在什么时候以及怎么样转变成“非此即彼”的？

几十年来，物理学家们就此提出了许多理论。但是其中最受青睐的理论涉及到了被称为“退相干”的现象，这一现象发现于20世纪80年代被仔细研究。粗略地讲，退相干是微观粒子与周围环境相互作用（例如，一个原子或者分子和周围的物质发生碰撞或者光线照到它）时所出现的量子行为消失现象。留下的仅仅是该系统的部分图像，即一个确定的宏观世界。

为什么会出现这一奇特的现象呢？一个合理的解释认为，不同的量子态对于退相干有不同的耐受性。当一个量子系统和环境发生相互作用的时候，只有“抵抗力”强的态才能最终幸存下来。这些最后剩下来的量子态就是我们在经典物理中所熟悉的特征，例如位置和速度。从这个意义上说，这些是最“优”的量子态，也被称之为“量子进化论”。

退相干同时也预言了量子-经典转变并不关乎系统的大小，时间才是真正重要的因素。一个量子实体与周围环境相互作用越强，其退相干的速度就越快。因此，对于越大的物体，由于其与环境相互作用的途径更多，它几乎可以在瞬间内完成从量子到经典的行为转变。例如，如果一个大型分子处于量子叠加态，其同时处于两个位置且这两个位置相距1纳米，那么由于和周围空气分子的碰撞，它会在10ˉ17秒内完成退相干。所以在某种程度上退相干是不可避免的。即使是在真空中，粒子也会由于和无处不在的宇宙微波背景辐射中的光子碰撞进而发生退相干。

退相干为从量子理论转变到经典物理学提供了一条途径。确实，在这样一幅图像下，经典物理学不再是量子力学的对立面，相反它是量子力学的必然产物。

从理论上这一切听起来都很完美，但在现实中呢？我们能确切地看到由于与环境的作用而导致的退相干吗？光学腔内的原子实验可以观测证明。研究人员让一个具有两个叠加态的铷原子穿过光学腔。然后，当实验人员将第二个铷原子送入光学腔的时候，它就会受到和第一个铷原子发生过相互作用的光子的影响。但是由于光子本身的退相干作用，这一效应会变得越来越弱，因此倚赖于在第一个原子通过之后对第二个原子进行测量的时机。由此，通过改变测量两个原子的时间可以观测到退相干的过程。

由退相干描述的量子-经典转变并不是事情的终结，还有更多、更基本的关于量子理论解释的问题留待回答。但是现在看起来，我们的经典世界只不过是量子世界退相干之后的产物。量子力学是普适的，一切事物，包括我们自己，都可以用叠加量子态来描述。