如果我們知道某一時(shí)刻籃球的位置和運(yùn)動(dòng)，以及作用在它身上的所有力，我們就可以從經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)定律中推斷出它之后的確切位置。但是量子力學(xué)不允許我們對(duì)粒子這樣做，它告訴我們的只是粒子稍后可能在哪里，我們?cè)谀抢镎业剿母怕适嵌嗌佟Ｄ敲?，未?lái)不確定的量子力學(xué)的世界是如何變成我們所經(jīng)歷的可預(yù)測(cè)的經(jīng)典世界？事實(shí)上，自從20世紀(jì)初量子力學(xué)發(fā)明以來(lái)，研究人員就一直在爭(zhēng)論這個(gè)問(wèn)題。

疊加

首先，讓我解釋一下量子世界是不確定的。現(xiàn)在想象一個(gè)量子粒子，如果我們觀察它，我們可能會(huì)以50:50的概率發(fā)現(xiàn)它自旋向上或自旋向下。我們可能會(huì)認(rèn)為，在觀察它之前，粒子早就是其中的一種狀態(tài)了，只是我們觀察之后才會(huì)發(fā)現(xiàn)它是哪種狀態(tài)。但事實(shí)并非如此，量子力學(xué)認(rèn)為，在我們觀察和測(cè)量之前，自旋不處于任何一個(gè)方向，測(cè)量行為本身才迫使宇宙做出選擇。

如果經(jīng)典世界也是這樣的，那么一個(gè)孕婦肚子內(nèi)的寶寶，就好像既不是男性也不是女性，直到醫(yī)生用超聲波進(jìn)行檢查才突然變成其中一種性別。這對(duì)孩子來(lái)說(shuō)聽起來(lái)好像很荒謬，但這正是量子世界中粒子發(fā)生的事情，粒子在測(cè)量之前處于所謂的疊加態(tài)。

所有表征基本粒子特性的變量，比如它的位置和動(dòng)量，都被編碼在稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式中。粒子沒有被測(cè)量，波函數(shù)只是粒子所在狀態(tài)的所有波函數(shù)的總和，這就是疊加。波函數(shù)本身沒有直觀的意義，但波函數(shù)的平方為我們提供了在任何給定位置找到這個(gè)量子物體的概率。

從概率到確定

所以現(xiàn)在你可能會(huì)問(wèn)：如果我們?cè)跍y(cè)量時(shí)只能看到這些變量的一個(gè)值，我們?cè)趺粗浪娴奶幱诏B加態(tài)呢？我們之所以知道這一點(diǎn)，是因?yàn)榧词篃o(wú)法直接觀察到那些疊加狀態(tài)，我們也能通過(guò)間接證據(jù)知道它們互相干涉。例如，在著名的雙縫實(shí)驗(yàn)中，即使一次發(fā)射一個(gè)電子，我們也能在屏幕看到干涉圖案。就好像它們中的每一個(gè)都同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)狹縫并干涉自己，只要我們不嘗試知道這些粒子“實(shí)際上”在哪里，或者它“實(shí)際上”是什么狀態(tài)，這些疊加以及它們引起的干涉就會(huì)永遠(yuǎn)存在。但如果我們這樣做了，這些量子效應(yīng)就會(huì)消失，粒子就會(huì)變成經(jīng)典物體。

這是真正的問(wèn)題：量子理論并沒有告訴我們從概率到確定性的轉(zhuǎn)變是如何發(fā)生的，量子力學(xué)所能做的就是在我們進(jìn)行測(cè)量之前描述粒子。根據(jù)量子力學(xué)，粒子的波函數(shù)不可能突然從50:50的概率變成100%的確定性。這種開關(guān)沒有理論依據(jù)，所以量子物理學(xué)家不得不手動(dòng)添加作為量子力學(xué)本身的額外內(nèi)容：坍縮，最早由物理學(xué)家約翰·馮·諾依曼提出。在過(guò)去的幾十年里，量子研究人員已經(jīng)意識(shí)到，要理解我們稱之為波函數(shù)坍縮的東西，我們真正需要做的是更仔細(xì)地思考測(cè)量中發(fā)生的事情。

退相干

無(wú)論我們測(cè)量什么量子物體，我們需要一些方法讓它與環(huán)境中的原子相互作用，尤其是我們大型測(cè)量設(shè)備中的原子。根據(jù)量子力學(xué)，這意味著粒子所處的量子態(tài)與環(huán)境中原子的狀態(tài)糾纏在一起。如果粒子處于疊加態(tài)，那么這種疊加就會(huì)通過(guò)糾纏過(guò)程傳播到與之相互作用的原子。粒子與其環(huán)境的相互作用越多，糾纏的原子就越多，疊加傳播得越遠(yuǎn)。它仍然是一個(gè)量子系統(tǒng)，它仍然處于疊加狀態(tài)，但在如此龐大的粒子群中，越來(lái)越難看到原始粒子的疊加量子態(tài)之間的任何同步。就像一群蕩秋千的孩子，他們可能開始時(shí)同步來(lái)回移動(dòng)，但逐漸失去了這種同步，這被稱為退相干。

如果想看最初的疊加，則必須查看所有那些糾纏原子的量子行為才能獲得全貌。但這很快就變得不可能了，這就像試圖追蹤漂浮的塵埃顆粒對(duì)空氣中所有原子的影響。因此，隨著糾纏的蔓延，它不可避免地會(huì)導(dǎo)致更多的退相干。

審核編輯 ：李倩