宇宙总是在寻找(量子退相干)
我以前曾说过，关于量子力学，“每个人都知道”的一件事是，量子世界是模糊和不确定的。实际上，还有一件事。“每个人”都听说过薛定谔的猫。
这就是为什么有这么多关于它的笑话。薛定谔正在开车，突然被一名警察拦下。警官看了看车，问薛定谔后备箱里有没有什么东西。
就物理笑话而言，这并不是那么糟糕。至少，它说明了薛定谔在找到一个足够吸引人的形象成为一种文化模因方面做得有多好。
有人甚至可以说他太成功了。这只猫今天仍然被拖出来，似乎是在暗示，我们仍然像以往一样困惑于这样一个事实，即小尺度的量子世界变成了人类尺度的经典物理世界。然而，事实是，这种所谓的量子-经典转变现在基本上被理解了。事情已经向前发展了，我们可以比薛定谔和他的同代人更精确地描述量子为什么以及如何成为经典。答案既优雅又令人吃惊。
因为量子物理学不会被另一种大规模的物理学所取代。它实际上产生了经典物理学。从这个观点来看，我们每天的常识性现实就是当你六英尺高的时候量子力学是什么样子的。你可能会说，它一直向上都是量子的。
那么，问题不是为什么量子世界是“奇怪的”，而是为什么我们的世界看起来不是这样的。
在薛定谔的时代，穿越量子和经典的过渡似乎就像跨越两大洲之间的海洋：在公海的某个地方划定边界可能是一种武断的做法，但不可否认，这两个大陆是截然不同的。薛定谔说，量子领域是随机和不可预测的，但经典领域是有序和确定性的，因为它只依赖于原子级混沌中的统计规律。
薛定谔在1935年构思了他的“恶魔”(他的话)思想实验。这是为了挑战尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)对量子力学的解释，薛定谔与阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)对量子力学的解释有很大的相似之处。
对玻尔来说，严格区分量子和经典是很好的，让观测成为区分它们的过程--但是，如果量子和宏观在没有任何观测的情况下耦合在一起，会发生什么呢？薛定谔正在寻找他所说的“荒谬的情况”：一种不能从字面上理解的还原荒谬的情况，在这种情况下，我们面对的宏观状态的叠加似乎不仅奇怪(比如一个大物体同时出现在“两个地方”)，而且在逻辑上是不相容的。在这种情况下，我们面对的是一种宏观状态的叠加，这种叠加似乎不仅奇怪(比如一个大物体同时出现在“两个地方”)，而且在逻辑上也不相容。爱因斯坦提出了一桶火药处于爆炸和未爆炸状态叠加的可能性，薛定谔对他的猫加大了赌注，这只猫的生死与量子事件有关，比如原子的放射性衰变。如果正如玻尔所说，在我们观察之前，原子的状态是不确定的(在叠加中)，那么猫的状态也一定是不确定的。
薛定谔的猫迫使我们重新思考量子行为与经典行为的区别。为什么我们要接受玻尔坚称它们是根本不同的东西，除非我们能明确指出它们之间的区别是什么？
然后，我们可能会倾向于指出咖啡杯等经典物体所具有的特征，但量子物体不一定具有这些特征：比如，定义明确的位置和速度，或者是定位在物体本身而不是神秘地在空间中扩散的特征。或者我们可以说，经典世界是由确定性定义的，而量子世界(在经典测量撞击到它之前)只不过是概率的织锦，个人的测量结果由偶然决定。然而，这种区别的根源在于，量子物体具有波的性质--也就是说，1924年薛定谔为量化它们的行为而设计的方程告诉我们，它们应该被描述为波，尽管它们是一种特殊的、抽象的波，只代表概率。
正是这种波动性导致了明显的量子现象，如干涉、叠加和纠缠。当量子“波”之间存在明确的关系时，这些行为就成为可能：实际上，当它们步调一致时。这种协调被称为“连贯”。
这个概念来自于普通波浪的科学。这里也是如此，只有当干扰波的振荡存在相干性时，有序波干涉(就像来自双缝的干涉)才会发生。如果没有，就不可能出现波峰和波谷的系统重合，也不会有规则的干扰模式，而只是产生的波幅的随机、无特征的变化。
同样，如果两个态的量子波函数不是相干的，它们就不能干涉，也不能保持叠加。相干性的丧失(消相干性)因此破坏了这些基本的量子属性，这些态的行为更像是截然不同的经典系统。宏观上，经典物体不会表现出量子干涉，也不会存在于状态的叠加中，因为它们的波函数是不相干的。
注意我是怎么说的。认为这些物体具有波函数仍然是有意义的。毕竟，它们是由量子物体组成的，因此可以表示为相应波函数的组合。只是宏观物体的不同状态的波函数，比如咖啡杯在这个地方和那个地方，是不连贯的。量子相干性本质上是允许“量子”的。
没有理由(据我们所知)，在原则上，无论物体有多大，只要没有对它们进行测量，它们都不能保持在相干量子态中。但似乎测量确实以某种方式破坏了量子相干性，迫使我们将波函数称为“崩溃”。如果我们能够理解测量如何解开相干性，那么我们就能够将测量本身纳入量子理论的范围内，而不是把它变成理论止步的边界。
理解量子退相干的关键因素是无处不在的实体，但在所有科学研究中基本上都被忽略了：周围的环境。宇宙中的每个真正的系统都位于某个地方，被其他物体包围，并与之相互作用。薛定谔的猫可能会被放在一个密封的盒子里，但里面必须有空气才能让猫有任何存活的机会。这只猫正在某种表面上休息，与它交换热量。
在量子力学中，环境在事物如何发生中起着核心作用。事实证明，这正是从量子汤中召唤出经典物理幻觉的原因。
人们经常认为，像叠加这样的量子态是微妙而脆弱的。把它们放在嘈杂的环境中(传说)，周围所有的抖动和震动都会破坏这些脆弱的量子态，崩溃的波函数和破碎的叠加。但这并不完全正确。事实上，如果量子力学提供了对宇宙最基本的描述，为什么量子态会变得脆弱呢？如果他们这么容易就放弃了幽灵，这是什么法律呢？
事实是并非如此。态的量子叠加并不脆弱。相反，它们具有很高的传染性，而且容易迅速扩散。而这似乎就是摧毁他们的原因。
如果一个处于叠加态的量子系统与另一个粒子相互作用，这两个粒子就会链接成复合叠加。这就是量子纠缠：两个粒子的叠加态，它们的相互作用使它们变成了一个单一的量子实体。对于一个量子粒子来说，比如说，一个光子反弹：光子和粒子可能会纠缠在一起，这对量子粒子来说并没有什么不同。同样，如果粒子与空气分子相撞，相互作用会使两个实体处于纠缠状态。事实上，根据量子力学，这是这种相互作用中唯一可能发生的事情。你可能会说，结果是，量化--连贯性--传播得更远了一些。
从理论上讲，这一过程没有终点。这个纠缠的空气分子与另一个分子相撞，第二个分子也会以纠缠态被俘获。随着时间的推移，最初的量子系统变得越来越与环境纠缠在一起。实际上，我们不再有一个明确定义的量子系统嵌入到环境中。相反，制度和环境已经融合成一个单一的叠加。
因此，量子叠加并没有真正被环境破坏，相反，它们的质量影响了环境，使整个世界稳定地变成一个大量子态。
正是这种扩散破坏了原始量子系统中叠加的表现形式。因为这种叠加现在是系统及其环境的共同属性，我们不能再仅仅看它的一小部分就能“看到”这种叠加。我们只见树木不见森林。我们所理解的消相干实际上不是叠加的丧失，而是我们在原始系统中检测它的能力的丧失。
只有仔细观察系统及其周围所有这些纠缠粒子的状态，我们才能推断它们处于相干叠加状态。我们怎么可能做到这一点--监测每一个反射的光子，每一个相互碰撞的空气分子？不--一旦量子泄漏到环境中，一般来说，我们将永远不能将叠加集中到原始系统上。
因此，退相干是一种渐进的、真实的物理事件，以特定的速率发生。对于一些相对简单的系统，我们可以用量子力学来计算这一比率：计算出消相干需要多长时间才能破坏观测到的可能性，比如说，一个量子物体在两个不同位置的波函数之间的干涉。这两个位置在太空中的距离越远，它们之间的一致性就会越快地与环境纠缠在一起，并泄漏到环境中。
以漂浮在我书房空气中的微小尘埃颗粒为例，它的直径为百分之一毫米。如果颗粒的两个位置的间隔(比方说)与颗粒本身的宽度大致相同，以便它们不重叠，那么它们在这里解开的速度有多快？暂时忽略光子--假设房间是黑暗的--只想一想颗粒和周围所有空气分子之间的相互作用。量子计算显示，退相干大约需要10-31秒。
这是如此之短，以至于我们几乎可以说消相干是瞬间发生的。以光速传播的光子从单个质子的一侧传到另一侧所需的时间不到其百万分之一。所以，如果你认为你会在我的研究中看到尘埃颗粒的非重叠位置态的量子叠加，那就再想一想了。
对于微观物体，我们真的可以避免退相干。这就是问题的关键--这就是为什么我们可以对原子、亚原子粒子和光子进行实验，揭示它们处于量子叠加状态。对于一个大分子(比方说蛋白质大小)来说，如果它漂浮在我们周围的空气中，退相干会在10-19秒内发生--但在同样温度的完美真空中，它可以保持连贯性一周以上。
消相干破坏了观测宏观叠加的可能性--包括薛定谔的活猫/死猫。这与正常意义上的观察没有任何关系：我们不需要有意识的头脑来“看”，才能“崩溃波函数”。我们所需要的就是让环境分散量子相干性。当退相干产生影响时，我们从量子多重数中获得经典唯一性。
爱因斯坦曾向年轻的物理学家亚伯拉罕·派斯(Abraham Pais)表达了他对玻尔在量子怪诞问题上的立场的愤怒。“我记得，”派斯写道，“在一次散步中，爱因斯坦突然停下来，转向我，问我是否真的相信，只有当我看着月球的时候，它才存在。”通过对消相干的理解，我们就有了爱因斯坦问题的答案。是的，当没有人观察到它的时候，它就在那里--因为环境已经在不停地“测量”它。从月球上反弹回来的所有太阳光光子都是消相干的媒介，足以确定月球在太空中的位置，并给它一个清晰的轮廓。宇宙总是在寻找。
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是一位常驻伦敦的作家。他的研究成果发表在《自然》、《纽约时报》和《化学世界》上。他是《水王国：中国的秘史》、《临界质量：一件事是如何导致另一件事的，以及超越怪异的：为什么你认为自己对量子物理所知的一切都不同》一书的作者。
