干涉现象是量子力学的一个关键,著名的例子是双缝实验。在许多情况下,干扰效应被人为地或自发地抑制了。退相干的理论正是对这种情况的研究。
它与各种问题有关,从测量问题到时间之箭,特别是与"经典世界"是否以及如何从量子力学中出现的问题有关。
【资料图】
自量子力学的开始的分析之-粒子轨迹。退相干作为主题本身是由H.-D.奠定的。双缝实验是干扰实验的一个典范例子。人们重复地将电子或其他粒子送过一个有两个窄缝的屏幕,电子撞击到第二个屏幕上,我们要求在屏幕的表面上检测到的概率分布。
人们可能会天真地试图通过将狭缝处的探测概率与屏幕上的探测概率相加,再乘以狭缝处的探测条件,来计算它们。
但这些是不同实验的正确概率,在狭缝处有探测,无论我们是否相信测量与波函数的"真实"坍缩有关。如果没有这样的检测,在概率的正确表达中会有一个额外的所谓干扰项,这个项取决于通过狭缝的两个波分量。
在有些情况下,这个干涉项不会出现或可以忽略不计,而天真的公式也适用。如果一些其他系统与狭缝和屏幕之间的电子相互作用,导致与穿过两个狭缝的波的组成部分产生足够的纠缠,就属于这种情况。那么,在屏幕上检测的概率就如同我们在狭缝处进行检测一样。
可能有足够多的杂散粒子从电子身上散射出去。波函数的两个分量之间的相位关系,也就是干扰的原因,现在只在由电子和杂散粒子组成的更大系统的层面上得到了很好的定义,而且只有在包括更大系统的合适实验中才能产生干扰。这样一种抑制干扰的现象就是所谓的退相干。
环境"退相干是指通过系统与环境的适当互动而产生的退相干。对环境退相干的研究在很大程度上包括对这种相互作用的具体模型的构建和调查。
以一个相对较轻的粒子的环境为例,这些粒子从一个相对较重的粒子上散射下来。这样一个模型可以用来研究例如手性分子。
一个原子与电磁场的相互作用,或者一个谐波振荡器在一个振荡器的热浴中。有些是大多数模型所共有的,有些则是高度依赖模型的。
这些环境相互作用的一个特点是,它们抑制了来自解扰变量的特征的状态之间的干扰。这可以是一个离散的状态集,双缝实验的简单例子中的波函数的上下分量,当一个原子与电磁场相互作用时,首选状态将是静止状态。
环境通过自发地、持续地"测量"由一组优选状态所表征的某些量来监视感兴趣的系统。
这种"类似于测量"的相互作用从直觉上讲不会干扰被监测的可观测物的特征状态。因此,这些优选状态实际上可以根据它们在与环境的相互作用方面的稳健性或稳定性来描述。
系统与环境纠缠在一起,但被抑制干扰的状态是那些在这种相互作用下本身与环境纠缠最少的状态。在这方面,人们还说退相干诱发了"有效的超选择规则"。
严格的超选择规则适用于有一些观测变量,与所有的观测变量相换。这些观测变量是无限稳健的,因为没有任何可能的相互作用可以干扰它们。通过有效的超选择规则,人们意味着,某些观测变量将不会被实际发生的相互作用所干扰。
在许多退相干模型中,首选状态在更强的意义上是稳健的,因为关于它们的信息以冗余的方式储存在环境中。这些信息以后可以由观察者获得,而不需要进一步干扰系统。
哪些状态是首选的将取决于相互作用的细节,但在许多情况下,相互作用的特点是电位是位置的函数,所以首选状态往往与位置有关。
当干扰在双缝实验中被抑制时,天真的概率公式适用,可以通过增加正式的单个电子所遵循的"轨迹"的概率来计算屏幕上的检测概率。
退相干解决了量子力学的测量问题。但测量问题仍然存在,或者事实上变得更加糟糕。
测量问题实际上是一个复杂的问题,围绕着人们是否可以把量子力学本身用于描述量子测量的问题。
如果人们把量子力学看作是一种现象学理论,就可以直接否认这一点。但如果量子力学不是解释量子测量现象学的基本理论,问题就来了,我们如何解释什么是"测量"和"结果"。这就是广义上的测量问题。
如果假设量子力学本身适用于对测量的描述,那么问题就变成了在量子理论中应该如何对测量进行建模,特别是作为"系统"和"仪器"之间的一些适当的相互作用,以及这样做是否可以从系统和仪器的总体系统的单元演化中得出量子测量的三个现象学方面。
测量有结果,这些结果以一些特征概率获得,以及根据测量的结果,系统的状态通常以一种特征方式转变,这种推导似乎是不可能的。
冯-诺依曼指出,我们不能通过假设正确的概率产生,因为我们对宏观仪器的确切状态一无所知。但是,无论仪器的确切初始状态如何,如果系统(比如说,一个电子)是由两个给定状态的叠加所描述的。
宏观物体的局部状态之间的干扰通常被很好地抑制,这一事实表明,它至少与宏观物体实际上在我们看来处于局部状态的原因有关。
在测量仪器的特殊情况下,它将与我们为什么从来没有观察到一个仪器指向,例如,两个不同的结果有关。
包括与环境的退相干相互作用在内的测量模型是否允许人们得出测量总是有结果的结论。
这在某种程度上是退相干的"民间传说"的一部分,但正如许多物理学家和哲学家所指出的那样,情况并非如此,虽然退相干确实解释了我们为什么没有观察到测量结果的叠加,但它并没有解释我们为什么首先观察到测量结果。
从埃弗雷特多世界解释的一些主要变体开始。这实际上与退相干关系最为密切,因为后者可以被用来自然地确定普遍波函数中的稳定结构,这些结构可以实例化世界的多重性或测量记录或埃弗雷特观点所特有的意识体验。
另一种可以说是对退相干进行了关键性利用的方法是先导波理论,其中粒子位置在其时间演变中受到普遍波函数的指导。后者的分支结构显然会对它所引导的变量的演化特征产生影响。
相反,自发坍缩理论在直觉上与退相干关系较小,因为它们寻求抑制不需要的叠加。尽管如此,它们也可以说是能够利用退相干的,也许有一些限定。
更为传统的量子力学方法,以某种方式优先考虑测量或观测的概念,也可能与退相干有不太明显的联系,事实上与退相干的契合度也不高。
埃弗雷特自己的理论表述中,核心技术概念是相对状态,电子相对于仪器的相应读出状态处于自旋上升状态,相对于另一读出状态处于自旋下降状态。
但埃弗雷特感兴趣的是在相对状态方面,普遍波函数中稳定结构的出现。他的典范例子是氢原子的例子。把一个质子和一个电子放在一个盒子里,两者分散在整个体积内。一段时间后,质子和电子会放松下来。
质子的位置仍将分散在整个盒子里,但相对于质子的每个位置状态,电子现在将处于氢原子的通常基态。根据埃弗雷特的说法,这就是我们所说的稳定原子的形成。
埃弗雷特按照同样的思路思考经典系统,并使用这些论据来证明经典系统存在的假设,特别是那些复杂到足以存储它们与环境的类似测量的相互作用的记录。
埃弗雷特的目的是恢复量子力学对这种"伺服机械"的记忆寄存器的通常预测。
只有一种心理状态被体验,所以物理状态中也应该只有一个相应的成分。在一个无坍缩的宇宙中,我们可以引入一种新的心理-物理平行性,在这种平行性中,个体的思想监督着物理状态中的每个非干扰成分。
在多心解释中,心理并不监督物理,因为各个心智有自己的跨时空特性。鉴于退相干,这是对量子力学最自然的解释。
一个令人困惑的问题是,在德布罗格利-博姆理论中,不同初始条件的轨迹不能交叉,因为波通过一阶方程引导粒子,而牛顿方程是二阶的,牛顿理论中的可能轨迹确实交叉。由退相干产生的非干扰成分确实可以交叉,被困在其中的粒子的轨迹也会交叉。
自发坍缩理论试图修改薛定谔方程,从而使不同"日常"状态的叠加不出现或非常不稳定。一个物质粒子自发地经历了定位,即在随机时间内经历了用来描述近似位置测量的塌缩。
在最初的模型中,塌缩对每个粒子都是独立发生的,在后来的模型中,每个粒子的频率由其质量加权,塌缩的总体频率因此与质量密度挂钩。
在质量上,由于自发坍缩产生了局部化,这种效应在形式上似乎与一些退相干模型相似。但我们有"真正的"坍缩,而不是干扰的抑制,而且自发坍缩的发生并不存在系统和其他东西之间的任何互动。
在退相干相互作用确实也采取了近似位置测量的形式的情况下,自发塌缩和退相干之间的关系大概可以归结为一个定量的比较。
如果坍缩发生的速度比退相干快,那么与退相干有关的成分的叠加将没有时间出现,只要坍缩理论成功地恢复了经典现象,退相干在这种恢复中就不起作用。
相反,如果退相干发生的速度比坍缩快,那么坍缩机制就可以找到"现成的"结构,使波函数真正坍缩。
退相干和自发坍缩理论之间关系的另一个方面涉及到自发坍缩理论的实验可检验性。事实上,如果我们假设坍缩是一个真实的物理过程,退相干将使我们在实践中极难从经验上检测到自发坍缩究竟在何时何地发生。
一方面,退相干使坍缩看起来已经发生了,而另一方面,它又使我们难以进行干扰实验来检查坍缩是否尚未发生。
如果这些可能的效应之间确实存在这种数量上的相似性,那么要区分这两种效应就会变得非常困难。在有引力的情况下,任何积极的效应都可以被解释为支持塌缩或退相干。
而在那些系统被有效地屏蔽了退相干的情况下,那么如果坍缩机制确实是由引力效应引发的,那么也不应该有坍缩。
冯-诺依曼指出,测量在现象学上和以有意识的观察为前提,都与其他物理过程不同。但他坚持保留他所谓的"心理物理平行性",要求观察的过程也可以用纯物理术语来描述。
他要求在"被观察者"和"观察者"之间划出一条边界,但关键是这条边界可以任意向观察者那一端移动。
对我们有意识地观察到的东西的最终预测对人们选择沿着这样的"测量链"继续应用干预的程度不敏感,从而确保观察过程中的每一步都可以纯粹用物理术语描述。
在温度测量的例子中,我们不需要对系统本身施加干预,而是可以对温度计、眼睛的视网膜、视神经或系统和观察者的"抽象自我"之间的物理领域的任何其他地方施加干预。
尽管海森堡的概念框架可以说与冯-诺依曼的相当不同,但对海森堡关于量子力学的观点也可以做类似的考虑。
对海森堡来说,量子力学的应用需要在要用量子力学描述的系统和被认为是系统外部的、要用经典方法处理的东西之间进行"切割"。
如果人们将量子力学应用于整个宇宙,就会有一个完全封闭的系统,其中什么都不会发生。
玻尔与冯-诺依曼和海森堡共同认为,量子力学原则上适用于任何物理系统,同时否认它对整个宇宙的应用是有意义的。
不同的实验安排一般会选择互补的方面描述一个物理系统,对应于不同的同样必要的经典图片,但是不能结合。
量子状态不是一个量子物体的"直观"表示,而只是一个符号表示,是通过应用各种互补的经典图片构成的量子现象的速记。
如果把退相干理论理解为指向经典概念实际上是如何从量子力学中出现的,就会看到与玻尔的基本立场之间的矛盾。
根据退相干,即使经典概念在涌现的意义上是自主的,它们在根本上也不是先于量子力学的。
在另一种意义上,退相干确实支持玻尔的观点,因为我们可以看到退相干表明,没有经典记录就没有量子现象,正是干扰的抑制为恢复客观性创造了条件,这种客观性通过玻尔认为的独立现实的丧失而附着在系统和测量仪器上。
虽然埃弗雷特看到自己的理论直接反对冯-诺伊曼的方法,他认为可以提供一个理由为玻尔的想法的互补性。
玻尔拒绝了将量子状态的概念应用于整个宇宙的描述的尝试。拒绝埃弗雷特的想法在哥本哈根事实上相当悲惨地促成了埃弗雷特离开物理学研究。