量子力學詮釋問題（二）4量子退相干詮釋或理論提出量子退相干觀念的目標之一是要解決所謂的 “薛定諤貓佯謬”，即為什么常態下宏觀物體不會展現量子相干性。大家知道，接著波粒二象性的觀點，任何實物粒子可以表現出波動行為，可以發生低能物體穿透勢壘的量子隧道效應。關于微觀體系，電子、原子、中子、準粒子（庫珀對）乃至c60這樣的大分子，實驗上已經展示了量子隧道效應，并在實際技術中得到了廣泛應用，如STM（掃描隧道顯微鏡）。現在的問題是一個宏觀物體，像足球、人、嶗山道士，可否發生量子隧道效應？嶗山道士可否破墻而出，破墻而入？初步的看法是，這是不可能的，因為宏觀物體的質量較大，物質波波長短，必遠遠小于物體的尺度，不可能展示出量子相干效應。迪特爾?澤和他的學生埃里希?朱斯（ErichJoos）（圖4）從另一個角度給出了相同的答案：一個宏觀物體必定和外部環境相互作用，即使組成環境的單個微粒很小，與宏觀物理碰撞時能量交換可以忽略不計，環境也可以記錄宏觀物體運動信息，從而與宏觀物體形成量子糾纏，發生量子退相干。此時，環境的作用相當于在系統不同基矢態中引入隨機的相對相位，平均結果使得干涉項消失。因此，不同的（動量）態之間的相干疊加不存在了。圖4量子退相干理論創立者迪特爾?澤(左圖，/members-2/dieter/)和他的學生埃里希?朱斯(右圖)量子退相干理論最近已引起物理學界極度重視，一個重要原因是量子通訊和量子計算研究的興起。量子計算利用量子相干性——量子并行和量子糾纏以增強計算能力，而退相干對其物理實現造成了巨大障礙。當年迪特爾?澤提出量子退相干的概念時只是一位講師，他的文章不能在知名的學術刊物上發表，創新的觀點受到著名學者尖酸的批評，整個70年代這個重要工作被物理學家系統性忽視，幾乎影響了迪特爾?澤后來的學術職業生涯。后來，退相干理論渡過1980年代這個黑暗期，祖萊克加入量子退相干研究隊伍。他的著眼點是解決偏好基矢問題，并為量子測量問題的探索提供了新的思路。在量子退相干理論中，處在初態|%>=ZCn|n>的系統與處在初態|E>上的環境發生非破壞(不交換能量)的相互作用，使得t時刻總的狀態變為這里|En(t)>=Un(t)|E>，而Un=exp(-iHnt)是非破壞相互作用V=Z|n><n|Hn中分支哈密頓量Hn決定的時間演化。這時，體系的約化密度矩陣—般包含非對角項，其中Fmn=<Em|En>稱為退相干因子。當Fmn=0,則非對角項消逝，即這時，描述大系統量子態的量子相干疊加態|^c>變成了沒有量子相干的密度矩陣，實現了從量子疊加態到經典幾率描述的轉變。這相當于實空間中干涉條紋消逝(Box2)。Box2：量子干涉與量子退相干為了考察量子相干性與通常量子干涉之間的關系，我們在坐標表象{6(x)=<x|6>,6(x)=<x|n>} 中寫下密度分布：其中pd(x)=S|Cn|2|6n(x)|2代表強度相加項，而C*CF(t)6*(x)6(x)代表相干條紋，當F(t)=0相干條紋消nUmmnmn m n mn逝。我們從雙縫實驗可以進一步形象地說明這一點。由中子源出射的中子束經雙縫在屏S上干涉。遮蔽上(下)縫的波函數|0>(|1>)的坐標表示為(x)=<x|0>8eikx(^d(x)=<x|1>8eik(x+△)),其中A=ld-七是“光程差”。于是，|6>8|0>+|1>給出約化密度矩陣:當<EolE1>=1，^UP（x）8cos^k,否則P（x）=常數，無干涉條紋。綜上所述，環境的存在就像一個觀察者在不斷地監視著系統的運動，它通過與系統糾纏引入了等效的隨機相位A9,狀態|巾（0）>=|0>+|1>,被測后變為|6'>=|0>+e】A°|1>，平均結果給出：其中，隨機相位A。是由等效相位因子e】A°的平均值<e】A。〉=<Eo|E1>來定義。當它趨近于零，干涉條紋消逝，即退相干發生。我們的研究證明，即使宏觀物體與外界完全隔離，內部自由度與質心運動自由度的耦合也會引起退相干，特別是當環境是由很多粒子組成，則可能有因子化的末態|En>=nj=1N|en（^）>，它給出退相干因子F01=<E0|E1>=nj=1N<e0（j）|e1（j）>。由于|<e0（j）|e1（j）>|<1,當N—8,F01—0,這個發現原則上解決了薛定諤貓佯謬。只許把“ 死”與〃活”當成質心自由度的狀態，完整的貓態應當寫為則貓的密度矩陣的非對角項|死＞＜活|將伴隨著退相干因子FDL=nj=1N＜dj|lj＞。顯然，宏觀貓的干涉項正比于Fdl，在宏觀極限下，N一8,Fdl=0，從而干涉效應消逝。針對各種實際中的宏觀粒子，迪特爾?澤和他的學生埃里希?朱斯在 1985年仔細地計算了它們在各種環境中空間運動的退相干因子。他們得到一般的系統約化的密度矩陣：其中局域化因子決定于環境粒子在宏觀物體上的有效散射界面。eff。表1給出了各種物體局域化因子的列表。表1各種物體的局域化因子總之，作為客觀物體象征的薛定諤貓或儀器的運動，可分為集體運動模式和內部相對運動模式，它們之間存在某種形式的信息交換，但不交換能量，由于這種特殊形式的耦合，形成集體運動模式和內部相對運動模式的量子糾纏，內部運動模式提供了一種宏觀環境。如果觀察者只關心集體運動而不關心內部細節，集體運動就會發生量子退相干，薛定諤貓佯謬也就不存在了。我們最近發現，薛定諤貓的退相干還有一個內稟的原因，這就是相對論效應:一群自由粒子，其能量最低階非相對論效應正比于 P4，它使得質心自由度與內部自由度內稟地耦合起來，產生薛定諤貓的內稟退相干。這個發現進一步表明，“月亮”在沒有人看它的時候，仍然是客觀存在的。這是因為“月亮”是一個宏觀物體，人類的“看”必定忽略了“月亮”的內部細節。由于相對論效應，內部環境與“看到”的宏觀自由度有天然的耦合，使得退相干無處不在！以上的分析可以正面回答目前熱炒的“量子意識”問題。我們認為，把至今備受質疑的哥本哈根詮釋的波包塌縮假設作為論證基礎，大談量子意識，科學知識非常之不準確！雖然現在的物理理論還不能完全解釋意識，但也絕不能斷言它與量子有直接關系。因為意識必源自人這樣的常態宏觀物體，后者注定退相干。把量子力學和意識這種高級生命獨有的現象聯系起來并沒有為理解意識的產生與存在提供任何高于猜測的理解。其實，物理學解釋不了的問題就不應該牽強附會地解釋。要承認科學的定位和局限性，有些問題不在目前科學研究范疇內，非要披上科學的夕卜衣就是對科學的侵犯。1981年，祖萊克（圖5）把迪特爾?澤的量子退相干理論應用到馮?諾依曼量子測量理論，把測量過程看成系統S與測量儀器D相互作用產生經典關聯的—種動力學過程。在馮?諾依曼量子測量中，通過與環境作用，系統+儀器形成的復合系統進一步與環境量子糾纏:從而有復合系統的約化密度矩陣變為現在，相互作用只是產生系統態|n>與儀器態|Dn>的量子糾纏，并非純概率性的關聯。當其中退相干因子Fmn=<En|Em>一0時，pSD一習Cn|2|n,Dn><n,Dn|，退相干后的約化密度矩陣代表了關聯是以經典幾率的方式出現。就像天氣預報，明天下雨的幾率為30%，不下雨幾率為70%，是一種經典隨機現象，沒有任何量子相干效應。測量就是這樣一個產生關聯的過程，而無須什么波包塌縮！圖5祖萊克(WojciechZurek，全海濤2006年攝影)需要強調的是，應用于量子測量問題，退相干理論必須能夠解釋指針態(pointerstate)的衍生(emergence)。這個概念與多世界理論中相對態的觀念是一致的。如上所述，環境作用選擇儀器 +系統的特定基矢進行退相干，而密度矩陣的對角元和非對角元則在不同的坐標變換下是相對的。如果采用另一組基矢叩>=ZSnn,+|n>，則有非對角項叩><mf|的存在。正是由于這種基矢的相對性，量子糾纏無法直接描述量子測量，這就是所謂的偏好基矢問題。在整個宇宙(系統+儀器+外部環境)的時間演化過程中，因子化的宇宙初態會變成一個針對被測基矢的相對態，相對態中每一項的系數恰好是初態中系統相干疊加態中的系數。這時，我們說相對系統態而言，儀器態是一個指針態，而環境所充當的角色是誘導了一個超選擇定則 （稱為eniselection），選擇了這樣特定的基矢。退相干理論的第二個要點是初態因子化的假設。 它隱含的意思是，沒發生相互作用之前，系統的相干疊加態是獨立于測量儀器和環境而存在的。以后，相互作用使得世界波函數保持一種準因子化的形式，即形成具有和系統初態系數一樣的施密特系數的相對態。這個假設可以有一個邏輯上的改進。因為因子化形式依賴于張量積定義，其不唯一性使退相干理論進一步也遭遇到質疑的邏輯障礙。也許這與偏好基矢問題是等價的。在更完美的理論中，應該事先不假定因子化的形式，讓環境誘導出來的時間演化產生相對態的系數，實現完全客觀的量子測量過程。但是，這種處理遇到的關鍵問題是怎樣把這個理論結果與依賴于初態的實驗相比較。5量子自洽歷史、量子達爾文和各種詮釋的統一量子退相干理論強調的是環境弓I起的量子退相干，但對于整個宇宙而言，談其環境是沒有意義的，宇宙本質是個孤立體系。如果有朝一日人們完成了引力量子化，沒有環境影響，經典引力如何出現？沒有經典引力，我們如何理解蘋果落地和月球繞日而行、如何描述整個宇宙在經典引力作用下的演化？因此，為了描述量子宇宙的所有物理過程，我們的確需要一個更加普遍的量子力學詮釋：這里沒有外部測量，也沒有外部環境，一切都在宇宙內部衍生，在宇宙內部也可以看到一個從量子化宇宙約化出來的經典世界，經典引力支配著各種各樣的物理現象。針對這個問題，基于格里菲斯（RobertGriffiths)和歐內斯(RolandOmnes)等人提出自洽歷史處理(consistenthistoryapproach)，哈特爾(JamesB.Hartle)和蓋爾曼等人發展了退相干歷史的量子力學詮釋。量子力學自洽歷史詮釋是格里菲斯(圖6)在1983年提出來的。與多世界詮釋一樣，量子力學自洽歷史詮釋也是從世界波函數出發，它強調的“歷史”是有測量介入的離散時間演化序列。如圖7，我們用一個描述測量結果的投影算符序列來定義量子世界包含時間演化和測量的歷史。七代表在t=j時到某本征態上的投影。不同的歷史，相當于多世界理論中世界分裂的不同分支。顯然，任意給定一個歷史的集合，不同的歷史之間有干涉效應，每一個歷史相互不“獨立”，不能定義經典幾率。為了衍生出經典概率，格里菲斯對描述歷史的投影算符乘積給出了自洽條件Tr(HjpHl)=0(j/l)，其中p代表系統的密度矩陣。滿足這個條件的歷史集合中的歷史被稱為自洽的歷史。對每一組自洽的歷史，可以賦予一個經典概率描述： Pr(j)=Tr(HjpHj)。如果把每一個歷史當成多世界理論中世界波函數時間域上的一個分支，自洽歷史處理可以視為多世界理論的某種推廣發展。在這個意義下，多世界可以看成是我們唯一宇宙〃多種選擇的歷史”。按美國加州理工學院的哈特爾和蓋爾曼的觀點，雖然世界只有一個，但卻可以經歷很多個可能歷史組。圖6自洽歷史詮釋的創立者格里菲斯（RobertGriffiths，孫昌璞2005年攝影）圖7自洽歷史詮釋與多世界理論的相似性：“世界只有一個，歷史是多重的〃下面以薛定諤貓佯謬為例，簡要地告訴大家什么是自洽歷史描述：如果我們能夠測量每一個時刻組成貓的所有粒子的坐標，不同時刻的位置測量構成了系統的精（細）粒化的歷史。不同時刻的位置投影算子乘積 Hi=nt=1Tn（t）構成歷史的描述，其中指標j代表組成貓的不同粒子。Hi=H（t=0,1,,T）描述了粒子的軌跡，不同Hj可能會不“獨立”，這樣歷史通常是不自洽的。我們猜想，對于薛定諤貓而言，描述質心運動的那些投影 Hi，忽略量子漲落，艾倫菲斯特方程退化成牛頓方程，形成一組自洽的歷史，然后賦予經典意義上的幾率。我們猜想，只對應軌跡退相干的投影乘積序列，才可以確定地構成自洽的歷史。因此，自洽歷史詮釋的坐標表示本質上是退相干歷史詮釋。哈特爾和蓋爾曼等人發現，帶有測量的歷史序列可以用路徑積分表達。針對量子引力和宇宙學，提出今稱為退相干歷史的量子力學詮釋：宇宙體系演化過程粗粒化抹除若干可觀察對象類之間的量子相干性，經典幾率可以自洽地賦予每一個可能的路徑。事實上，對任何瞬間宇宙中發生的事件作精確化的描述，構成了一個完全精粒化歷史(completelyfine-grainedhistory)。不同精粒化的歷史之間是相互干涉的，不能用獨立的經典概率加以描述。但是，由于宇宙內部的觀察者能力的局限性或需求的不同， 只能用簡化的圖像描述宇宙(如只用粒子的質心動量和坐標刻畫粒子的運動)，本質上是對大量精粒化歷史進行分類的粗粒化(coarse-grained)描述。粗粒類內的相位無規可以抹除各類粗粒化歷史之間的相干性，從而使得粗粒化的歷史形成所謂退相干的歷史(decoherencehistory)。通過這種退相干歷史的描述，原則上對量子弓I力到經典弓I力的約化給出了自恰的描述。我們還可以借助“薛定諤貓”來展示什么是退相干歷史詮釋。假設〃貓”作為一個宏觀物體是由大量有空間自由度的粒子組成，每一個粒子有自己空間運動的軌跡，滿足各自的薛定諤方程，它們每一個的演化構成了〃貓”的精粒化的歷史，代表了〃貓”的動力學所有的微觀態細節。如果用路徑積分描述這些“歷史”，則不同路徑之間是干涉的。由于這些粒子間存在相互作用，則〃精粒化歷史”對應的〃軌道”與自由粒子的軌道不是一一對應的。現在我們不關心組成〃貓”的每一個粒子的運動細節，只關心它的質心或者其他宏觀自由度。某個特定宏觀自由度的運動是微觀自由度某種集體合作的結果，可以視為〃貓”的所有微觀演化過程的粗粒化。由于相對運動的影響，它的相干疊加態的時間演化會導致相位差的不確定性，從而相干性消逝。如圖8所示，從路徑積分的觀點看，粗粒化后兩條不同路徑是不相干的，相干函數變為零，從而導致所謂退相干的歷史。圖8粗粒化導致觀察結果的量子退相干：從軌道到軌道類的路徑積分不管退相干歷史也好，自洽歷史也好，仍然存在偏好基矢的取向問題。同一個世界，有不同組合的自洽歷史集，選擇哪一個，有觀察者或者“你”、“我”的偏好。祖萊克提出了量子達爾文的觀點去解決這個問題。量子達爾文主義認為，〃微觀量子系統是可測量的”這一經典屬性是由宏觀外部環境決定的，只有那些在環境中能夠穩定(robust)保持的性質才是微觀系統的真正屬性。只有那些在環境中殘存下來的屬性才是客觀的，因為它不取決于個別人的意識，而是取決于它以外包括許多觀察者的整個環境，這一點很像多世界的相對態。在量子達爾文的詮釋中，環境的作用不再僅僅只是一個產生噪音的破壞者，它本質上還是一個有足夠信息冗余度的記錄器和見證者。 如果把環境分成幾個子系統，把其中的一個或幾個用來記錄系統信息，其他的則用來比對是否記錄到相同的信息。如果不同的部分都記錄了相同的東西，則這是一個微觀系統固有、可在經典世界展現的東西，只有這樣的屬性才是客觀的。從這個意義上講，這樣的宏觀環境與系統耦合，雖然可以不轉換能量，但可以記錄信息，使得系統“進化”(演化)到一個經典的狀態——用非對角項消逝的退相干密度矩陣表示，使之對角化的基矢就是所謂的偏好基矢。如果把環境分成幾個子系統，當作不同的觀察者，則不同觀察者得到了相同的觀察結果。我們以兩個觀察者測量自旋為例，說明量子達爾文的觀念。包含一個系統和兩個觀察者（O1和O2）的世界波函數可以寫為如前所述，當兩個觀察者態是正交的，則O1和02對于基矢|f＞和|1＞得到相同的結果，而對另夕卜基矢|+＞和|-＞則不然。量子達爾文的要點在于上述世界波函數是02與系統間特定相互作用導致的穩態結果——一種“自然選擇”。從數學表達式看，這個表述與多世界詮釋是等價的，只是強調了環境記錄信息的冗余性。當然，多世界理論強調了要考慮|T＞（|1＞）以外的所有世界的態。它雖然沒有明確環境對基矢的客觀選擇，但暗含了信息冗余的要求。6結束語為解決哥本哈根詮釋二元論的邏輯困境和物理悖論，過去人們提出了各種各樣量子力學詮釋。從本文討論可以看出，它們的核心思想本質上來自于邏輯簡練、物理寓意深遠的、但圖像十分反直覺的多世界詮釋。多世界理論表達的是“一個波函數，多個世界”，而由它發展出來的自洽歷史詮釋講的是“一個世界，多個歷史”。我們注意到，由于媒體和初級科普的不正確解釋、以訛傳訛，加上一些’知名”學者的不讀原文、不求甚解（或不讀書好求甚解），多世界詮釋被污名化了許久。特別是目前不少人覺得哥本哈根詮釋的正確是天經地義的， 而多世界詮釋則被認為是形而上學的甚至是偽科學。 當然，如果不把波函數看成是本體論的東西，而只是從工具主義的角度把它看成是一個預測實驗結果的數學工具，波包塌縮的預言和多世界詮釋或量子退相干描述一般沒有差別。但是，量子力學的哥本哈根詮釋強調必須借助經典世界，從邏輯上講是不自洽的。從哲學角度講，量子力學的哥本哈根版本是一種二元論，而一個理想的完美的理論應該是一元論：一切源于量子，經典只是量子體系宏觀極限下的〃衍生”現象。諾貝爾獎獲得