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退相干:现代的答案

信息向环境的泄漏,如何解释了我们为什么从来看不到日常生活中的叠加。

一个比“它为什么塌缩?”更好的问题

在测量问题里,藏着一个更尖锐的问题,而二十世纪的物理学为它找到了一个真正有启发性的答案。这个问题不是“波函数为什么塌缩?”,而是:我们为什么从来看不到大东西处于叠加之中? 电子能轻而易举地同时穿过两条缝——可你从来不会看到一把椅子既在这里又在那里,或者一只咖啡杯既满又空。随着物体变大,那种怪异究竟跑到哪里去了?

这个答案叫做退相干,它的口号很简单:*没有什么东西是真正孤立的。* 在实验室里,你能把一个电子孤立一小会儿,可一把椅子却时刻与这个世界保持着接触——空气分子从它身上弹开、光从它身上反射、热量向外辐射散去。退相干这一发现告诉我们:正是这种持续不断的接触,对任何叠加都做了某种深刻的事。它并不算是把叠加*毁掉*;而是把它*泄漏*到了周围环境里,在那里,它再也不能被看作一个叠加了。

泄漏是如何把混合藏起来的

要看清这是怎么运作的,回想一下双缝条纹之所以出现的原因:那两种可能性(“走左缝”和“走右缝”)能够相互交叠、相互干涉,就像两道涟漪交错而过。这种微妙的“能够干涉”的本领,就叫做相干性,而它很脆弱。它只在两种可能性被完美地保守为“私密”时才得以存续——也就是不被任何人、任何东西所知晓。

现在假设哪怕只有一颗游荡的空气分子从电子身上弹开飞走,带走了一丝“电子走的是哪条缝”的印记。这颗分子如今就成了一个微小的“目击者”。那条“走了哪条路”的信息已经逃逸到了环境里——而就在那一刻,两种可能性便再也无法彼此干涉了。条纹褪去。系统和它的目击者,被编织进了一种叫做纠缠的关系——那种深层的“胶水”,我们会在下一条路线里研究。说到底,退相干就是与环境之间失控的纠缠。

为什么大东西会迅速失去它们的怪异

这就把“尺寸之谜”解释得漂漂亮亮。一个处在良好真空中的孤零零的电子,几乎什么都不碰到,所以它的叠加能持续得足够久,久到能产生条纹。相比之下,一粒尘埃每秒会被空气分子和光子撞击亿万亿次。每一次撞击,都把它位置的一丝一缕复制到外部世界里去。这种泄漏是如此汹涌,以至于任何“尘埃在这里”与“尘埃在那里”的叠加,都会以几乎无法想象的速度被冲刷殆尽——远比任何仪器有可能在它“正处于混合之中”时逮住它要快得多。

退相干还回答了一个更微妙的谜:为什么幸存下来的结果,看起来总是像*位置*——确定的地点、确定的指针读数——而不是某种古怪的混合?原来,环境对“它要复制什么”是很挑剔的。它会忠实地记录某些性质(主要是位置),却把另一些搅成一团。环境放过不动的那少数几种状态,那些它乐意干干净净地复制的状态,就是指针态——之所以这么叫,是因为它们正是一根测量指针能够稳稳指住的那些状态。环境实际上*选定*了哪一组备选项有资格成为那个确定的,这种选择被物理学家称为优选基

退相干解决了什么,又没解决什么

退相干是一项胜利,而且它不是空口白话——它直接从标准的那套平滑方程推出,只要老老实实地把它们应用到“一个系统加上它的环境”上,无需额外栓上任何规则。它解释了为什么日常物体看起来是经典的、为什么在大东西上干涉如此难以看到、以及为什么我们遇到的结果总是确定的位置。许多曾经显得关于测量的“魔法”,其实不过是量子信息向一个巨大环境中迅速而不可避免地泄漏罢了。

所以,退相干消解了这个谜团的大部分,却没有把它完全合上。对那些相信塌缩的人,它解释了塌缩实际上*在哪里*、以*多快*的速度发生。对那些否认塌缩的人——也就是你稍后会遇到的多世界阵营——它解释了为什么世界*看上去*在塌缩,尽管在他们看来,根本就没有什么真正塌缩过。无论站在哪一边,它都是从量子通往经典的那座桥,也是整条路线上最重要的那一个观念。