月亮只在我們看著它的時候才存在嗎？
利維坦按：重度懷疑主義患者大多曾經有過這樣一般設想，這個世界上除了自己，其他人都是如《楚門的世界》里那些扮演居民的演員。他們可能在你觀察不到的地方大肆討論劇本走向，而當你回過頭盯著他們的時候，則瞬間進入演戲狀態。這是缸中之腦命題的另一種變體，也是休謨對哲學感到悲哀的原因。
在每個人初識量子力學的時候，相似的感覺總會席捲而來。薛定諤籠子里的貓究竟是生是死？月亮是在我們看著它的時候才存在嗎？量子力學荒誕的色彩令人心生疑惑，而本文對於這些不確定性給出了一個解釋——我們忽略了時刻在觀察系統的環境。
佛說一切皆虛妄。按照這套邏輯，虛妄的不僅僅是貓或者月亮，每個人都身在其中。
文/Philip Ball
譯/喬琦
校對/斬光
原文/www.theatlantic.com/science/archive/2018/10/beyond-weird-decoherence-quantum-weirdness-schrodingers-cat/573448/
本文基於創作共同協議（BY-NC），由喬琦在利維坦發布
圖源：Javier Zarracina/Vox
之前我就暗示過，「大家都知道」的有關量子力學的那件事就是：量子世界模糊難辨、毫無確定性可言。實際上，還有一件大家都知道的事兒：薛定諤的貓。
薛定諤的貓，這個梗人盡皆知，所以也衍生出了很多笑話，比如：薛定諤正開著車，警察讓他靠邊停，後者檢查過車輛之後就問薛定諤，後備廂里有沒有什麼東西。
「有隻貓，」薛定諤回答。
警官打開了後備廂然後大叫：「嘿！這貓死了！」
薛定諤生氣地回應：「好吧，都怪你，現在它確實死了。」
這類物理學笑話就這樣傳播開來，也不是什麼壞事。至少，它證明，薛定諤非常成功地為量子力學找到了一個膾炙人口到足以成為文化模因的通俗說法。
我們甚至可以認為，薛定諤實在是過分成功了。時至今日，他的貓仍舊會被大家拿出來說事兒，微觀尺度量子世界向人類尺度經典物理學世界的轉變過程似乎仍舊是個未解之謎。而實際上，人類如今已經很大程度上理解了這個所謂的「量子-經典」轉變。時代在進步，物理學在發展，這個問題的現狀也和近百年前的情況大不相同了。如今，對於「量子力學為何及如何向經典物理學轉變」這個問題，我們已經能夠作出比薛定諤及其同時代人準確得多的描述。這個答案既簡潔優雅又頗為令人驚訝。
實際上，在宏觀尺度上並沒有其他種類的物理學替代了量子物理學，而是量子力學催生了宏觀世界中的經典物理學。從這個觀點上說，我們的日常生活、我們通常所講的「現實」其實只是：在身長七尺的你看來，量子力學究竟是什麼樣子的。你甚至可以說，這一切都是量子力學。
那麼，現在的問題就不再是為何量子世界如此「奇怪」了，而是為什麼我們的世界看上去不那麼奇怪。
在薛定諤那個時代，理解「量子-經典」物理學轉變就好像是要穿越橫亘在兩片大陸之間的海洋一樣：你也許可以隨意在無邊大海中的某處划出一條分界線，但大海兩岸的兩塊大陸卻實打實地明顯不同。薛定諤說，量子力學這塊大陸充滿了隨機性，完全無法預測，而經典領域卻是井然有序、確定可測，這是因為，後者依賴的只是基於量子混沌上的統計規律。
1925年，玻爾（左）與愛因斯坦。圖源：Quanta Magazine
1935年，薛定諤提出了他的那個「邪惡」（薛定諤本人原話）思想實驗（即薛定諤的貓），其目的是要挑戰尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）對量子力學的詮釋。和阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）一樣，薛定諤也對玻爾的解釋持懷疑態度。
玻爾對量子力學和經典物理學作了嚴格區分，並且認為觀測就是區分這兩種物理學的過程，這都沒什麼問題——然而，按照這個理論，如果在沒有觀測發生的條件下出現了量子力學與宏觀理論耦合的情況，又該如何解釋呢？當時，薛定諤正在尋找一種他稱之為「荒謬情況」的案例：一種歸謬法。
圖源：Philosophical Explorations
這裡我們不逐字引用他的原話，關鍵是，在這種「荒謬情況」之下，我們面對的是各種宏觀狀態的疊加態，而這些宏觀狀態不僅是看似匪夷所思（比如一個碩大的物體「同時出現在兩個地方」），而且在邏輯上根本就不相容。對此，愛因斯坦提出了一桶火藥處於爆炸與未爆炸的疊加態的例子，而薛定諤則拿他的貓當了賭注——貓的生與死取決於一個量子事件，比如某種原子衰變產生的輻射。如果玻爾所說的是正確的，也即在我們觀察之前，原子的狀態無法確定（即處於一種疊加態），那麼貓的狀態也應如此。
薛定諤的貓讓我們不得不重新思考這個問題：究竟用什麼方法才能將量子力學從經典行為中區分出來？玻爾堅持認為，除非我們能夠分辨出量子力學與經典物理學之間的區別，否則此二者就是本質上完全不同的東西。我們又為什麼應該接受他的這個主張？
在思索這些問題的過程中，我們可能會提到那些經典物體（比如咖啡杯）擁有而量子物體不必擁有的特點，例如：明確的位置和速度，或者那些局限於物體本身但並不會通過空間神秘擴散的性質。我們也有可能會認為，經典世界由確定性定義，而量子世界（在對其進行經典測量之前）只不過是一條由概率織成的地毯，單次測量結果完全是隨機的。不過，這種區分方式的本質還是在於量子物體有波的性質——也就是1924年薛定諤為量化描述量子物體的行為而提出的那個方程。這個方程告訴我們，在描述量子物體時，應該把它們想像成波——哪怕只是一種僅描述概率的特殊而抽象的波。
圖源：NASA
諸如干涉、疊加以及糾纏這樣的鮮明量子現象正是源於這種波的性質。當量子「波」之間出現一種明確關係的時候（從效果上說，就是當它們處於某種形式的同步狀態時），這些現象就可能會出現，而這種同步狀態就稱為「相干」。
這個概念來自普通波。有規律可循的普通波干涉現象（就像雙縫實驗中的那種）也只在干涉波振動出現相干時才會發生。如果波與波之間不存在相干性，那麼在最終產生的混合波波幅中就不可能有系統性的波峰和波谷，也不會有規則干涉圖樣，只會有隨機產生的一些毫無特徵的變化圖樣。
處於位置疊加態的物體（以黃綠色表示）與環境粒子相互碰撞，由於量子糾纏，物體的相干性質會被泄漏至環境。圖源：Quanta Magazine
與普通波類似，如果兩種狀態下的量子波函數不相干，那麼它們既不可能發生干涉，也不可能保持疊加狀態。因此，相干性的缺失（也就是退相干）會毀滅這些基礎量子特性，而所涉及的各種狀態也會表現得更像特點鮮明的經典體系。宏觀經典物體既不會出現量子干涉現象也不會以量子疊加態存在，因為它們的波函數不相干。
圖源：Tenor
注意我的用詞：它們的波函數不相干——但還是有波函數的。因此，仍有必要從波函數的角度細細思索一下這些宏觀物體。畢竟，它們是由量子物質構成的，並且也因此可以表達為各種相關波函數的組合。只不過，這些波函數所表現的就是宏觀物體的鮮明特徵，比如咖啡杯在這兒或在那兒，這兩種狀態並不相干。本質上說，量子相干其實就是表達「量子性」的前提。
目前看來，從原理上說，無論物體有多大，它們都完全可能處於量子相干態之中——只要我們還未對其進行測量。不過，似乎測量過程確實能夠以某種方式消滅量子相干，以致我們不得不聲稱，測量後波函數「坍縮」了。如果能弄清楚測量過程是怎樣退相干的，我們就能夠將測量過程納入量子理論的範疇中來，而不是將其作為量子理論的邊界。
量子物理的一個重要特徵是「疊加態」。如上圖，經典物理中，板仔只能在一個位置靜止（左側或者右側），但如果這位板仔也可以表現出量子物理的特徵的話，他就可能處於兩側位置的「疊加態」中，即同時在兩個位置存在。圖源：NIST
理解量子退相干的關鍵要素是，在所有科學研究中都很大程度上被忽視卻無處不在的客觀實體：周遭環境。宇宙中任何實際存在的系統都會坐落於某處，被周圍的其他物質包圍，並且與其發生相互作用。薛定諤可以把他的貓放到密封的盒子里，但如果要想貓有活下來的可能，首先就必須保證裡面有足量的空氣。此外，貓也必然會處於某種表面之上，那麼它和表面之間必然存在熱量交換。
在量子力學中，環境因素在事件的發生方式上扮演著核心角色。事實證明，能從量子湯中召喚出經典物理學幻象的就是環境。
人們常常認為，像疊加態這樣的量子狀態纖巧脆弱。把它們放到雜訊環境中（故事通常就是這樣講的），環境產生的搖晃和振動就會摧毀這些脆弱的量子態，波函數隨之坍縮，而疊加態也隨之粉碎。然而，這種觀點並不完全正確。實際上，如果量子力學為我們描述宇宙提供了最為基本的一種解釋，那為什麼量子態就應該是脆弱的呢？如果量子態這麼容易就消亡了，這樣的物理學定律又算什麼東西呢？
真相是，量子力學並非胡說八道，而量子疊加態也並不脆弱。恰恰相反，它們的蔓延性極強並且易於迅速擴散，而這似乎就是它們湮滅的原因。
圖源：Astronomy & Astrophysics/Tumblr
如果一個處於疊加態的量子系統和另一個粒子發生了相互作用，這兩者就會產生聯繫，形成一種複合疊加態。這其實就是量子糾纏：兩種粒子的疊加態，相互作用使得它們轉而形成了單個量子實體。這和光子被量子粒子反彈開的過程並沒有什麼不同：光子和這個粒子有可能也因此產生了糾纏。
與之類似地，如果這個粒子一頭撞進了某個氣體分子中，它們之間的相互作用也會將這兩個客觀實體置於糾纏狀態之下。實際上，據量子力學推測，在這樣的相互作用之下，糾纏態是唯一可能出現的結果。結果就是——你可以這麼說——量子性（也就是相干性）在這個過程中向遠處傳播了一點兒。
理論上，這個擴散過程沒有止境。那個產生了糾纏的氣體分子又會撞擊另一個分子，於是，這第二個分子也會進入糾纏態。隨著時間的流逝，最初的這個量子系統和其所處環境之間的糾纏度就會越來越高。從效果上說，此後這個系統就不再是那個雖嵌在環境中但界限分明的量子系統了。這個系統和其所處的環境合併成了單種疊加態。
所以說，量子疊加態並沒有真的被環境摧毀。相反，它們將自己的量子性注入到了環境之中，持續穩定地將整個世界轉變成一個大量子態。
圖源：Quanta Magazine
正是這種擴散使得原初量子系統中的疊加態不再外顯，因為擴散後疊加態就已經成了量子系統和其所處環境共有的特性，我們不可能通過觀察其中的一小部分就再次「看到」這種疊加態，正所謂「不識廬山真面目，只緣身在此山中」。我們理解為退相干的這種現象，其實不是疊加態的丟失，而是我們在原初系統中觀察疊加態能力的缺失。
只有細緻觀察這個量子系統以及其所處環境中的所有糾纏粒子之後，我們才能夠斷言它們處於相干疊加態。那麼我們怎麼才能做到這點呢？去監測每個反射回來的光子、每個發生了碰撞的空氣分子？顯然做不到。一旦量子性外泄到了環境之中，通常來說，我們就永遠不可能再將疊加態濃縮回原初系統當中了。
因此，退相干是一個以特定速率逐漸發生的真實物理事件。對於某些相對簡單的系統來說，我們可以用量子力學來計算這種速率：計算出退相干發展到我們不再能觀測疊加態的程度所需的時間，也就是計算出某量子物體處於兩個不同位置時的相應波函數的干涉狀況被破壞的時間。這兩處位置在空間中相距越遠，它們之間的相干性就會越快與環境發生糾纏，量子性也會越快外泄到環境中去。
圖源：Tumblr
就拿我書房中的一顆微觀塵埃顆粒（直徑百分之一毫米）來說吧。如果它所處的兩個位置之間的距離大致相當於其自身尺寸，那這兩個位置對應的波函數多久之後就會退相干，以確保這兩個位置不會重合呢？此處我們不考慮光子——就假設房間是完全黑暗的好了——只需考慮塵埃顆粒與其周圍所有組成空氣的氣體分子之間產生的相互作用即可。量子力學計算告訴我們，這個退相干的過程大約需要10-31秒。
這實在是太短了，我們幾乎可以聲稱這種退相干是即時發生的。一個以光速傳播的光子從一個質子的一頭走到另一頭所需的時間是這個時長的100萬倍以上。所以，如果你想在我的書房裡看到塵埃顆粒處於兩個並不重合的位置的量子疊加態，那你可能就要大失所望了。
對微觀物體來說，實際上我們可以規避退相干。這才是關鍵——正是因為可以規避退相干，我們才可以對那些處於量子疊加態的原子、亞原子粒子以及光子展開實驗。對那些大分子（比如蛋白質大小的那種）來說，如果它們漂浮在我們四周的空氣中，退相干會在10-19時間內完成——但是，如果在相同溫度的絕對真空中，它們保有相干性的時間可以長達一個多禮拜。
對宏觀疊加態來說，退相干使我們不再能觀察到這種量子狀態——其中就包括薛定諤的活/死貓。而這和通常意義下的觀測其實毫無關係：我們並不需要為了讓「波函數坍縮」而特意去「看」。我們所需要做的，只是等待環境驅散量子相干性。當退相干過程完成後，我們就從量子多重性中獲取了經典唯一性。
圖源：Reddit
愛因斯坦曾向當時的年輕物理學家亞伯拉罕·派斯（Abraham Pais）表達過自己對玻爾在量子怪誕性上所持立場的不滿。「我記得，」派斯寫道，「當時我和愛因斯坦一起散步，他突然停下了腳步，轉過身，面向我，問我是否真的相信月亮只在我們看著它的時候才存在。」了解了退相干的機制後，我們就可以回答愛因斯坦的這個問題了。不，哪怕沒人正在賞月，月亮也實打實地高懸在那兒——因為，環境已經「測量」了它，並且未來也會永不停歇地持續「測量」。太陽光照射到月球表面並反彈回來的所有光子就是退相干的媒介。它們的存在已經足以將月亮的位置固定在空間中，並且還為我們描繪了其鮮明的輪廓。宇宙總是在觀察，一刻不停。
本篇文章摘自菲利普·鮑爾（Philip Ball）的新書《超越詭異：為什麼你以為你知道的關於量子力學的一切都早已不同了》（Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew About Quantum Physics Is Different）。
活動時間
2018年11月1日-2018年11月14日
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