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李宏芳：世界本质上是量子的，起于退相干！

2016-10-08 18:49阅读：

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退相干、定域性与非充分决定论的因果关系
作者：李宏芳

李宏芳：世界本质上是量子的，起于退相干！

（注：李宏芳教授，武汉大学教授，曾经在清华大学【科学技术与社会研究所】做博士后，主攻量子力学哲学,照片来自Wutong_54的新浪博客《首届全国物理学哲学会议纪实》，2015-12-24）

通常我们认为，我们所赖以生存的宏观经典世界是基本的，并且认为这一宏观经典世界中的物体和它们的属性在空间和时间上是定域的，所遵循的因果决定论是必然的。


然而，科学的进展表明，经典概念和它们的历史在新的语境下变成了额外多余的东西[1]。


世界本质上是量子的，在这一量子世界中因果关系不再是充分决定论的，而是非充分决定论的，或说是概率论的。


我们之所以会感受到经典的时空、经典的历史，是因为量子时空或量子历史由于与环境的相互作用退去了相干性，呈现为我们日常习见的经典性。


并且根据退相干解释的纲领，定域性的出现也只是近似的。


下面我们就结合退相干解释的纲领，来具体阐释经典世界的定域性和量子世界中的非充分决定论的因果关系。


一、退相干解释纲领


退相干解释纲领是随着现代物理学的发展而产生的，它不仅与经典的时空出现关系密切，而且与量子力学中波函数的塌缩以及在现代量子通讯和量子计算领域非常重要的纠缠的概念，有着极为紧密的联系。


物理学家已把退相干的发现欢呼为“从贝尔不等式以来在量子理论基础中最重要的进展”[2]94-95。


虽然有些物理学家认为退相干解释只是一个纲领，而不是一个已确立的理论，它仍有许多问题需要克服[3]。


退相干也不被认为给出了测量问题一个解答，因为干涉项的持续存在。


但是，退相干确实已获得了实验上的检验[4]。


因此，对于退相干的这一赞美绝不是一时的兴趣，而是基于这样一些令人耳目一新的理由之上：


其一，退相干提供了理解量子力学的新方式，因为它对于诸如波函数“塌缩”、互补性这样一些已经确立的术语给予了具体的批评性的讨论；


其二，由于退相干诉助于物理过程，因而是可检验的；


其三，退相干提供了对于量子不确定性的一个更为基本的洞见。


根据泽(H.D.Zeh)，退相干已被定义为“相位关联的去定域化”，这表达了“一个系统与其环境不可逆的量子关联的形成”[5]，这是纠缠的另一种意义上的表述形式。


但是，与在哪一条路径(which-way)实验中由于量子消除器的存在退相干是可逆的不同，这种与宏观环境的纠缠不可逆转。


即量子态的退化要归因于退相干的动力学过程，它们受源自它们各自环境的无数多个散射过程的支配，其结果是新的属性和新的行为形式显现。


这一退相干解释纲领假定宇宙中的所有物体都要发生相互作用，只是相互作用的程度不等，有的强些，有的弱些。


这表明，宏观世界的经典特征不是物质所具有的基本特征，由于自然界通过量子关联普遍相互联系，因而经典粒子和它们的属性只是通过环境的一个“连续的测量”过程而呈现出来。


在最基本的水平上，自然界是由一个宇宙波函数——惠勒-德威特方程支配，在这个方程中没有为经典概念留有任何空间。


量子力学是描述自然界的普适的、逻辑一致的理论。


也就是说，在自然界的最基本的层次上，存在着关于所有量子物体的一个在运动学上是非定域的、在宇宙中是普遍的纠缠，这一纠缠使得宇宙成为惟一真正的封闭系统。


经典世界只是作为量子关联渗漏进入环境的一个结果而出现。


然而，由于量子关联从不会真正消失，因此这种渗漏不意味着相干性的真正的损失。


哪一条路径实验阐明了这一量子关联潜在的有效性：如果哪一条路径的信息被存储在原子系统中，它们的量子关联就通过与原子运动的纠缠而“退去相干性”，这导致路径的可识别性。


然而，一旦走哪一条路径的信息被擦除，干涉图案就又恢复，路径再次变得不可区分，这个系统“重新变得相干”。


但是，在大多数情况下，退相干是一个不可逆的过程，因此我们从未观察到宏观量子叠加态，即发生在量子系统之间的纠缠态，诸如“薛定谔猫”态，可以被转化为量子系统与环境的一个纠缠态。


在这种呈现经典属性的情形中，量子关联在观察上变得不可获取，即它们与环境的纠缠使得经典系统看上去十分坚固，这一坚固性是环境对其所施一个“连续测量”的结果。


二、经典世界中的定域性


在退相干的分析中，还涉及到一些非常重要的相关性概念，比如定域性。


在宏观世界中，物体和它们的属性在空间和时间上是定域的。我们不会说某人在某时某地既在这里又在那里，或者说某物在某时某地既是死的又是活的。

哲学家和科学家已把定域性提升到一组因果性特征之列，这也使得人类深深地浸染在定域性经验的影响之中。

然而，退相干解释纲领的出现，使人们认识到定域性的出现只是近似的。

在自然界中，量子纠缠一直存在，只不过为了所有实用的目的，人们经常对其忽略而不予以重视。

量子力学的正统解释就在退相干的分析中，也就是在对量子相干性如何消失的分析中，忽略掉了环境对于系统的纠缠影响，从而导致了一些令人困惑的“佯谬”的产生。

因此，如何通过环境的连续测量——这致使相位关联的不可逆消失——来说明某些量子神秘，阐释非定域的量子纯态如何转化为定域的混合态，就成为量子力学解释中一个重要的问题。

在“薛定谔猫”的案例中，由于猫态的宏观特征，即与猫集体态发生纠缠的内部环境自由度的数目庞大，量子关联退相干得那么快，以至于在观察者打开钢盒之前，猫已处于死态或活态，而不是不死不活态，或说死活叠加态。

在双缝实验中，当电子的波函数与γ射线显微镜发生纠缠时，相干叠加立即消失。这时，电子走哪一条路径的信息实际上传递给了记录仪器。

若一个量子系统处于一个自旋单态：

李宏芳：世界本质上是量子的，起于退相干！

（注：图片来自淘豆网，期刊论文《退相干、定域性与非充分决定论的因果关系》）

但这并不意味着相干性的彻底消失，表现在宏观经典世界中的定域性只是近似的，那种使量子态呈现非定域性的相干性或说量子关联，实际上是退化进了与系统发生纠缠的环境自由度中，而不是变得空无。

我们可以通过比较经典描述和量子描述，来表明干涉项实际上仍然存留在系统和仪器包括环境组成的总的波函数中。

考虑一个量子系统在与一个测量装置耦合后处于纯态中：

李宏芳：世界本质上是量子的，起于退相干！

（注：图片来自淘豆网，期刊论文《退相干、定域性与非充分决定论的因果关系》）

由此可见，在系统和仪器(这里可以看作环境)相互作用后，干涉项不完全消失，即使对于像薛定谔猫这样的宏观系统来说，干涉效应的消失也只是意味着干涉项转移到了环境态中，从而在对系统集体态的观察上，干涉效应变得难以观察到。

也就是说，当一个观察者最后读取了测量结果，他就获得了关于测量结果的一个几率分布的信息。

观察者对测量结果的记录不造成波函数的塌缩，量子关联实际上以一个在现象上非常短暂的退相干时间渗漏进了环境。

系统的干涉效应虽然由此变得无法观察，但它们实际上仍然全域地存在于一个总的量子纯态中，即存在于包含整个环境的测量仪器与被测系统组成的纯态中。

所以说，我们通常在经典世界中看到的时空上的定域性是近似的，量子世界中显示远距离关联即纠缠的非定域性才是基本的。

从非定域性到定域性的过渡只是因为量子关联渗漏进了环境，而不意味着量子关联的实质性消除。


三、量子世界中非充分决定论的因果关系

显然，根据环境诱导量子退相干机制，波函数塌缩只是一个实用主义的用语描述。

作为对量子测量的激进反应，波函数塌缩假设把测量过程的非充分决定论定位在了量子事态的突然转折上。

这证明波函数塌缩只不过是对量子测量的非充分决定论解释的一个人为设计。

实际上，当测量结果不唯一，并且没有精确的初始条件时，就产生了量子非充分决定论。

因此，如果退相干解释纲领是正确的，量子非充分决定论也应该是一个自然显现的属性。

退相干本身是一个非充分决定论的、且多半为不可逆的过程。

环境通过非充分决定论的扰动实施着它的连续测量过程，这些非充分决定论扰动包括散射过程、振动发热模式和内部原子态的改变。这些物理扰动促成了量子非充分决定论。

为了给出量子力学中的非充分决定论的因果关系以一个适当的概念性说明，选择支持这一论据的实验安排证明是极其重要的。

玻尔和海森堡曾诉助于双缝实验来支持他们对于量子力学中实验情形的激进反应。

双缝实验当时虽然是一个假想实验，却阐明了波粒二象性，海森堡的非充分决定论关系即测不准关系给予了这一波粒二象性一个数学上的表达。

因此似乎对于玻尔和海森堡来说，这一非充分决定论的关系表明没有因果性的观念能被包容在量子力学的概念空间中。

这个非充分决定论的关系似乎表明，对于因果决定论事件的一个经典的描述来说是极其重要的信息，在量子描述中将消失。

玻尔、海森堡和泡利认为互补性关系是对经典的因果性观念的一个自然延续。

与之形成对照，德布罗意运用原子撞击一个晶体的假想实验得出结论：量子力学能为非充分决定论的因果关系提供庇护。

德布罗意倾向于质疑传统的拉普拉斯的关于因果关系的机械决定论的预设。

若干年后(1970年)，泽(H.D.Zeh)通过思想实验调查了把环境包括进来将对量子力学的测量过程产生何种影响[6]，这也就是退相干观念的雏形，这种调查的结果是确证了量子力学中非充分决定论的因果关系存在。

可见，在科学方法中概念预设不是无用的，概念预设具有指导、限制和误导的作用，然而它们是不可避免的。

现在我们知道，重要的量子力学实验，即有助于确立量子理论的有效性的实验，不但与概率因果性的观念相一致，而且要求概率因果性的观念。

在量子力学的相互作用史上，从散射到哪一条路径实验，无疑揭示了许多因果关系。

在这些例子中，量子系统的行为是遵循因果规律的，即在量子系统的行为之间存在条件优先性和条件相关性。

至少在某些情形中，有存在于定域性条件下的条件优先性和条件相关性。

但是，在所有这些实验中，在原因和结果之间无疑缺少任何时空连续性和因果关联。不过，退相干可以为我们提供一个非充分决定论的因果关联。

那么，究竟是什么致使许多人认为量子力学是非因果性的呢？

这是由于对于量子理论保守和激进的反应，前者如爱因斯坦，后者如玻尔和海森堡，二者都暗中承诺了拉普拉斯式的因果性与充分决定论的同一，这就使得量子力学似乎是非因果性的。

然而，大多数的量子力学实验满足有条件的因果关系的特征。

因此，如果我们坚决要求量子力学中因果关系的哲学模式满足传统上因果关系的观念，特别是属于定域的和机械因果论的观念的特征，那么量子力学的证据将不得不按照非因果性来理解。

在这种情形中，概率因果性的哲学模式必须被限制在量子力学基础的范围之内。

在经典世界中，存在没有因果关系的时空确定性，也存在没有确定性的因果关系。

现在我们知道，在量子世界中，我们可能有概率因果关系，甚至不希望有充分决定论。

也就是说，自然界存在非充分决定论，也存在因果关系，量子世界遵循的是非充分决定论的因果关系。


四、结语

根据上述的分析，随着量子理论的发展和退相干解释纲领的提出，一个新的世界观的较为明晰的轮廓已呈现在我们面前，这可表述如下：

第一，自然，在最基本的层次上，是一个量子宇宙。

因此，不连续性才是自然的真正属性，表现在时间和空间上的平滑性实则是从这不连续性渐变过来的，即空间、时间和时空都是突然出现或说自然发生的性质。

退相干提供了这一呈现的物理机制，但环境的作用在这一过程中是关键性的。

虽然关于这种突然出现的，有人称之为“突创论”的精确性质，仍然是一个在科学上和哲学上争论的问题。

在科学上争论的问题之一是需要详细说明哪一个不相关的亚系统将充当相关亚系统的环境；在哲学上的争论问题之一是需要说明“突创论”的起源问题。

第二，宇宙的量子性迫使我们接受一个普遍的运动学上的非定域性。

量子系统之间的这个纠缠是一个实验实在。

纠缠在哲学上最迷人的地方是它的动力学起源的神秘性。

一些物理学家和哲学家可能想把运动学上的纠缠化归为一个无理性事实的状态。

然而，这种化归和波函数的“塌缩”约定一样不令人信服。

因为纠缠是外部世界的一个特征——它能在实验中被再现，而且不久将成为量子通讯和量子计算等技术革新的一个核心特征——因此，只要纠缠的因果起源不被确定，一个巨大的解释性缺口将存在于现代物理学的中心。

具有讽刺意味的是，爱因斯坦可能最终是正确的：量子力学仍然是不完备的。因此，如果我们能找到纠缠的原因，那么我们关于因果关系的概念模式将被彻底改变。

第三，根据新的世界观，我们所熟悉的经典粒子和它的所有属性仅仅扮演着一个出现的存在。

还有我们所熟知的波粒二象性，如果情形证明量子力学居于至高的支配地位，那么它可能不得不理所当然地引退。

当然，这不排除物理学家在非经典意义上谈论“粒子”和“波”。

只不过是说，如果退相干解释纲领和融合广义相对论和量子理论的企图是成功的，那么量子化的圈或弦的基本振荡将产生粒子。

因此，面对在经典世界中令人困惑的量子系统的性质，这表面看似不能削减的波粒二象性将证明只是一个解释性策略。


总之，人类对于自然的理解经历了持续的演变，这也导致对新概念产生了持续的需要。即科学要求概念理解，而这种理解又用到基本的哲学观念。

科学和哲学之间的辩证关系一直在人类文明的历史长河中延续。

相对论和量子理论都是很好确立的科学理论，它们的概念革新曾勾勒出了一个新的世界观的模糊轮廓，最近的发展又使这一新的世界观呈现出更为明确的轮廓。

如今，一场关于量子引力、退相干和纠缠等概念，似乎正在进行一场新的具有重要意义的物理学革命，这场革命将革新我们关于自然的观念，再次提升哲学和科学之间的辩证关系。


（原载《武汉理工大学学报》2009年5期，作者李宏芳）
　　【参考文献】


[1]Zeh H.D. The physical basis of direction of time[M]. Berlin/New York: Springer, 1992: 94-95.


[2]Omnès R. Understanding quantum mechanics[M]. Princeton: Princeton University Press, 1999: 250-255.


[3]Bub J. Interpreting of quantum world[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.


[4]Myatt C. J. Decoherence of quantum superpositions through coupling to engineered reserveoris[J]. Nature, 2000: 269-273, 403.


[5]Zeh H. D. Meaning of Decoherence. in Ph[M]. Blanchard et al, 2000: 19-42.


[6]Zeh H. D. On the interpretation of measurement in quantum theory[J]. Foundation of Physics, 1970(1): 69-76.

李宏芳：世界本质上是量子的，起于退相干！
转自：中国社会科学网（2014年04月28日）
http://www.cssn.cn/zhx/zx_ljx/201404/t20140428_1128938.shtml

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