《量子力学诠释问题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子力学诠释问题（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、量子力学诠释问题（二）4量子退相干诠释或理论提出量子退相干观念的目标之一是要解决所谓的“薛定谔猫佯谬”，即为什么常态下宏观物体不会展现量子相干性。大家知道，接着波粒二象性的观点， 任何实物粒子可以表现出波动行为，可以发生低能物体穿透势垒的量子隧 道效应。关于微观体系，电子、原子、中子、准粒子（库珀对）乃至c60这样 的大分子，实验上已经展示了量子隧道效应，并在实际技术中得到了广泛应 用，如STM（扫描隧道显微镜）。现在的问题是一个宏观物体，像足球、人、 崂山道士，可否发生量子隧道效应？崂山道士可否破墙而出，破墙而入？初 步的看法是，这是不可能的，因为宏观物体的质量较大，物质波波长短，必 远远小
2、于物体的尺度，不可能展示出量子相干效应。迪特尔泽和他的学生埃里希朱斯（Erich Joos）（图4）从另一个角度给出了相 同的答案：一个宏观物体必定和外部环境相互作用，即使组成环境的单个微 粒很小，与宏观物理碰撞时能量交换可以忽略不计，环境也可以记录宏观物 体运动信息，从而与宏观物体形成量子纠缠，发生量子退相干。此时，环境 的作用相当于在系统不同基矢态中引入随机的相对相位，平均结果使得干 涉项消失。因此，不同的（动量）态之间的相干叠加不存在了。图4量子退相干理论创立者迪特尔泽(左图，http:/www.ijqf.org/members-2/dieter/) 和他的学生埃里希朱斯(右图)量子退相
3、干理论最近已引起物理学界极度重视，一个重要原因是量子通讯 和量子计算研究的兴起。量子计算利用量子相干性量子并行和量子纠 缠以增强计算能力，而退相干对其物理实现造成了巨大障碍。当年迪特尔泽 提出量子退相干的概念时只是一位讲师，他的文章不能在知名的学术刊物 上发表，创新的观点受到著名学者尖酸的批评，整个70年代这个重要工作 被物理学家系统性忽视，几乎影响了迪特尔泽后来的学术职业生涯。后来， 退相干理论渡过1980年代这个黑暗期，祖莱克加入量子退相干研究队伍。 他的着眼点是解决偏好基矢问题，并为量子测量问题的探索提供了新的思 路。在量子退相干理论中，处在初态|% =ZCn |n的系统与处在初态|E上
4、 的环境发生非破坏(不交换能量)的相互作用，使得t时刻总的状态变为这里|En(t) =Un(t)|E ，而Un = exp(-iHnt )是非破坏相互作用 V =Z |nn| Hn中分支哈密顿量Hn决定的时间演化。这时，体系的约化密度矩 阵般包含非对角项，其中Fmn = 称为退相干因子。当Fmn = 0 , 则非对角项消逝，即 这时，描述大系统量子态的量子相干叠加态|c变成了没有量子相干的密 度矩阵，实现了从量子叠加态到经典几率描述的转变。 这相当于实空间中干 涉条纹消逝(Box2)。Box 2：量子干涉与量子退相干为了考察量子相干性与通常量子干涉之间的关系，我们在坐标表象6(x) = ,6
5、(x) = 中写下密度分布：其中pd(x) =S|Cn|2 |6n(x)|2代表强度相加项，而5 C*CF (t)6 *(x)6 (x)代表相干条纹，当F (t) = 0相干条纹消nUm m n mnmnmn逝。我们从双缝实验可以进一步形象地说明这一点。由中子源出射的中子束 经双缝在屏S上干涉。遮蔽上(下)缝的波函数|0 (|1)的坐标表示为6 (x) = 8 eikx (d(x) = 8 eik(x + ), 其中 A =ld -七是“光程差”。于是，|6 8 |0 + |1给出约化密度矩 阵: 当 = 1，U P（x）8 cos k ,否则 P（x）=常数，无干涉条 纹。综上所述，环境的存
6、在就像一个观察者在不断地监视着系统的运动，它 通过与系统纠缠引入了等效的随机相位A9 ,状态|巾（0） = |0 + |1 ,被测后变为|6 = |0 + e】A |1，平均结果给出：其中，随机相位A。是由等效相位因子e】A的平均值e】A。= 来定义。当它趋近于零，干涉条纹消逝，即退相干发生。我们的研究证明，即使宏观物体与外界完全隔离，内部自由度与质心运动自 由度的耦合也会引起退相干，特别是当环境是由很多粒子组成，则可能有因 子化的末态|En =nj=1N|en（），它给出退相干因子 F01 = =n j=1N。由于| 与仪器态|Dn的量子纠缠，并非纯概 率性的关联。当其中退相干因子Fmn =
7、 一 0时，pSD 一习Cn|2|n , Dn =ZSnn,+|n，则有非对角项 叩 mf|的存在。正是由 于这种基矢的相对性，量子纠缠无法直接描述量子测量，这就是所谓的偏好基矢问题。在整个宇宙(系统+仪器+外部环境)的时间演化过程中，因子化的宇宙初态 会变成一个针对被测基矢的相对态，相对态中每一项的系数恰好是初态中系统相干叠加态中的系数。这时，我们说相对系统态而言，仪器态是一个指 针态，而环境所充当的角色是诱导了一个超选择定则（称为eniselection），选择了这样特定的基矢。退相干理论的第二个要点是初态因子化的假设。它隐含的意思是，没发生相互作用之前，系统的相干叠加态是独立于测量仪器
8、和环境而存在的。以后，相互作用使得世界波函数保持一种准因子化的形式， 即形成具有和系统初态系数一样的施密特系数的相对态。这个假设可以有 一个逻辑上的改进。因为因子化形式依赖于张量积定义，其不唯一性使退相 干理论进一步也遭遇到质疑的逻辑障碍。也许这与偏好基矢问题是等价的。在更完美的理论中，应该事先不假定因子化的形式，让环境诱导出来的时间 演化产生相对态的系数，实现完全客观的量子测量过程。但是，这种处理遇 到的关键问题是怎样把这个理论结果与依赖于初态的实验相比较。5量子自洽历史、量子达尔文和各种诠释的统一量子退相干理论强调的是环境弓I起的量子退相干，但对于整个宇宙而言，谈 其环境是没有意义的，宇宙
9、本质是个孤立体系。如果有朝一日人们完成了引 力量子化，没有环境影响，经典引力如何出现？没有经典引力，我们如何理 解苹果落地和月球绕日而行、如何描述整个宇宙在经典引力作用下的演化？ 因此，为了描述量子宇宙的所有物理过程，我们的确需要一个更加普遍的量 子力学诠释：这里没有外部测量，也没有外部环境，一切都在宇宙内部衍生， 在宇宙内部也可以看到一个从量子化宇宙约化出来的经典世界，经典引力 支配着各种各样的物理现象。针对这个问题，基于格里菲斯（RobertGriffiths)和欧内斯(Roland Omnes)等人提出自洽历史处理(consistent history approach)，哈特尔(Jam
10、es B. Hartle)和盖尔曼等人发展了退相干 历史的量子力学诠释。量子力学自洽历史诠释是格里菲斯(图6)在1983年提出来的。与多世界诠 释一样，量子力学自洽历史诠释也是从世界波函数出发，它强调的“历史” 是有测量介入的离散时间演化序列。如图7，我们用一个描述测量结果的投 影算符序列来定义量子世界包含时间演化和测量的历史。七代表在t=j时到某本征态 上的投影。不同的历史，相当于多世界理论中世界分裂的不同分支。 显然， 任意给定一个历史的集合，不同的历史之间有干涉效应，每一个历史相互不“独立”，不能定义经典几率。为了衍生出经典概率，格里菲斯对描述历史 的投影算符乘积给出了自洽条件Tr(Hj
11、pHl)= 0( j / l)，其中p代表系统 的密度矩阵。满足这个条件的历史集合中的历史被称为自洽的历史。对每一 组自洽的历史，可以赋予一个经典概率描述：Pr( j) = Tr(HjpHj)。如果把每一个历史当成多世界理论中世界波函数时间域上的一个分支，自洽历史 处理可以视为多世界理论的某种推广发展。在这个意义下，多世界可以看成 是我们唯一宇宙多种选择的历史”。按美国加州理工学院的哈特尔和盖尔 曼的观点，虽然世界只有一个，但却可以经历很多个可能历史组。图6自洽历史诠释的创立者格里菲斯（Robert Griffiths，孙昌璞2005年摄影）图7自洽历史诠释与多世界理论的相似性：“世界只有一个，历史是多重的下面以薛定谔猫佯谬为例
