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台湾王孟源文章:【基礎科研】量子去相干詳解

日期:2017-10-6 21:02:03 人气: 标签:大连 律师
导读:《觀察者網》的科技編輯仍然覺得我以往對量子去相干的解釋(參見前文《談量子力學(一)》不夠詳盡,送了我一篇北京清華大學王向斌所寫的對量子去相干的批評,問…

    《觀察者網》的科技編輯仍然覺得我以往對量子去相干的解釋(參見前文《談量子力學(一)》不夠詳盡,送了我一篇北京清華大學王向斌所寫的對量子去相干的批評,問我如何回復。我把自己的舊文看了一篇,覺得的確可以説得更詳細些。以下是相關的文字。
    王向斌說:
    朱清時院士《客觀世界可能並不存在》的關鍵論據是量子力學自身並未給出塌縮的來源機制,而朱把這個歸結為意識。這樣的歸結,並無實驗支持。為了批評《客觀》,《捍衛》作者聲稱塌縮的機制是清楚的:退相干,即塌縮就是被測系統與宏觀系統糾纏上了。國際上確實有一些學者試圖用複合系統演化來解釋測量過程,然而,這個演化(子系統退相干)過程與量子態塌縮完全是兩碼事。
    考慮單次測量,測量完成之後被測系統的物理量具有確定值,被測系統自身也立刻處於一個明確的本徵態上。這就是說,測量完成後,任何被測系統在所測的物理量相應的空間中都得是一個純態,即不能與任何別的東西糾纏。而《捍衛》作者退相干即坍縮的說法與此基本事實矛盾。事實上,以退相干(與大系統糾纏)觀點去解釋量子測量,只能給出關於測量的係綜統計結果,即諸如大量粒子的平均值之類,但是無法解釋單次測量結果,即無法解釋量子塌縮。
   雖然在一些其他一些領域,由於只在乎係綜統計結果,所以在實際計算中你可以用退相干過程來獲得那個測量統計結果,在那裡不需要管單量子態塌縮的具體結果。但是,在量子信息領域,我們經常要用到單次測量的結果,即真正涉及到量子塌縮。例如,量子態隱形傳輸,你要傳1000個未知態,你就需要1000次貝爾測量的具體結果並根據每個具體結果對遠處粒子做相應的操作。在這種情況下,只知道那總數為1000的測量結果的統計分佈是沒有意義的。
    再回到朱清時院士意念說和《捍衛》的反駁。對於這一問題,我認為,朱清時院士對於量子塌縮的概念的總結是正確的(但是我不同意他隨之而來的意念說)。而迄今為止量子物理學自身並不能解釋塌縮的真正來源機制,這也是事實。但是基於這些,院士給出的那個意念決定塌縮依然只是一個猜想,這個猜想從來未獲得嚴肅科學實驗支持。
    對於院士的猜想,我想給個類比:“圓周運動需要向心力和初速度。萬有引力定律自身未解釋月球繞地運動的初速度的來源”。此時院士猜想“來源於上帝之手”。再看《捍衛》作者的說法。他對於量子塌縮概念的理解是錯的(按他的表述,我甚至懷疑他都根本沒有量子塌縮的概念,即對單量子態的單次測量的具體結果),他的這個錯誤的理解實際上是在說“測量過程根本無需塌縮,因而院士的意念說沒有存在的基礎”。對於《捍衛》作者的這個說法,我再用那個月球初速度問題做個類比。他的說法就像是在說:“圓周運動根本不需要初速度,因此上帝之手沒有存在的基礎。科學歸科學,宗教歸宗教”!
    如前所說,除非獲得實驗證實,我並不接受朱清時院士的意念說。但是,朱清時院士說的量子塌縮是存在的,而且至今量子理論沒有回答塌縮的來源機制,這些是基本事實。不能以罔顧基本事實的方式去高舉捍衛科學的大旗。
    我的評論和對量子去相干的詳解:
    單粒子(Single Particle,沒有縫隙,也沒有墻)系統沒有任何物理反應,所以當然用不上量子去相干;但是單事件(Single Event)實驗絕對可以用量子去相干來解釋清楚。請注意,量子去相干不但沒有“塌縮”這個説法,它原本就是為了詳細解釋塌縮這個假象而發展出來的。
    王向斌所說的“测量完成后,任何被测系统在所测的物理量相应的空间中都得是一个纯态,即不能与任何别的东西纠缠”,是他錯誤的核心。量子去相干理論真正說的,剛好相反,就是測量的過程正是讓被測量的粒子和測量儀器做反應,從而形成兩者之間的糾纏,同時打破被測量的粒子原本在幾個不同量子態之間的相干性(靠的是測量儀器的大量凝態粒子的自我相互作用來消滅相干性)。被測量粒子和測量儀器之間形成完美的糾纏態,而不是純態。
    用雙縫實驗做具體的例子:被測量粒子是單個入射光子;“測量儀器”則是那面墻,測量的物理量是光子的位置。光子經過雙縫的時侯,走A路和走B路的波函數是叠加的,這時A和B就是所謂的“相干”。這和古典粒子隨機決定走A路和走B路不同,因為古典隨機現象叠加的是機率密度,而量子現象叠加的是波函數;前者是後者在向量空間的自我做張量外積(Tensor Product)後的對角綫項,一般說成是平方。因爲在隙縫處兩個波函數叠加,所以從隙縫到墻之間,經過薛丁格方程式的演化,在墻上的波函數分佈仍然同時有A和B的貢獻,於是產生了複雜的條紋,這叫做“干涉”。討論到目前爲止,都屬於標準量子力學的範疇,可以用實驗證明,沒有任何爭議。
    波函數在墻上各個不同位置的可能性,也是叠加的,換句話說,仍然處於相干態。然後光子與墻作用,只有一個點亮起來,於是光子的位置被確定了,實驗完成。在最後這一步,才出現對其背後邏輯的分歧看法,有了各種“解釋”。
     Copenhagen解釋說,測量儀器和觀察者都是系統(即這個單一光子)之外的神秘物體,波函數只對系統有效(只考慮被測量粒子,而不管粒子與儀器的互動,其實是Copenhagen解釋的基礎邏輯錯誤)。“儀器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”都無法定義,反正人看到了自然會知道。那麽既然只有光子有波函數,它撞墻的過程就必須從原本所有可能位置的相干態,一瞬間轉變為集中在亮點的純態,這被波爾叫做“塌縮”(Collapse)。至於在人類演化之前,顯然沒有任何可能的“儀器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”,量子事件是怎麽塌縮的,就不關波爾的事了。Copenhagen解釋對懶得用腦的實驗者來説,是個很直覺、容易上手的經驗準則,但是完全經不起邏輯的推敲。
   量子去相干則不一樣。它說整個宇宙只有一個波函數,包含了每個粒子。相互之間沒有作用的粒子,原本的多變數波函數可以Degenerate,分解成爲個別粒子的波函數的簡單乘積,所以光子的飛行過程,可以看作是單粒子波函數的演化。但是光子撞墻,就是它和墻内部的極大數量處於凝態的原子有了作用,這個過程絕對不能看作是單粒子波函數的自行演化,而必須是“光子+墻”(也就是”被測量粒子+測量儀器“)這個巨觀系統的波函數的共同演化。因爲墻處於低溫凝態,每個原子的位置都是固定的,沒有任何不同可能位置之間的不確定性和相干性,一旦光子和它作用,形成完美的糾纏,就以大欺小,把光子不同位置之間原本的相干性用巨量的原子稀釋掉了(到非常接近於零,但不是數學上的零,只是物理上的零,亦即無法用實驗與真零分辨出來)。這個過程叫做“去相干”;它不是什麽神秘的新機制,而仍然遵守著薛丁格方程,只不過因爲是數量極大的多體問題,所以不能有確解。這個過程的結果,不是一個純態,而是”被測量粒子+測量儀器“之間的糾纏態。
    Einstein所説的“上帝不擲骰子”,指的是Copenhagen解釋裏塌縮的過程中,原本光子有無限多個可能的位置,必須一瞬間丟棄近净,新的波函數裏只剩下一個單一的測量結果,就像擲骰子一樣。相對的,量子去相干解釋裏,原本光子的所有不同可能位置,仍然被包含在新的波函數裏,並沒有被捨棄;但是波函數已經不再能被視爲個別粒子的波函數的簡單乘積,而是一個巨觀系統的波函數,所以不確定性仍然在,只是相干性被稀釋光了。換句話說,新的波函數仍然包含著所有光子原本所有可能的位置a,b,c,d,e...,但是它們之間沒有相干性,所以波函數在向量空間的表象裏,出現了另一個與前不同的簡化,是波函數分解成對應a,b,c,d,e...等等可能性的OR和(即只有一個能留存,量子力學裏面叫做”Mixed States“),不論現實走上哪一條路,新波函數的演化都好像只對應著一個單一的測量結果。
    我想很顯然的,量子去相干不但沒有任何定義上的困難,而且邏輯嚴謹自洽,推演過程自然,應用在沒有人類的宇宙中,也完全沒有問題。王向斌的毛病,出在他先接受Copenhagen解釋的歪論,得到一個錯誤的結論(即光子必須處於純態),然後用它來“證僞”量子去相干。
    總結來說,單粒子一旦被“測量”,就是與測量儀器有了作用,也就不能再被視爲獨立的系統;新的系統是巨觀的,包括了被測量的粒子和測量儀器,如果“觀察者”操作了儀器,那麽他也參與了作用,必須也被包括到系統裏面。這時系統有很複雜的量子糾纏,波函數不能沿觀察者/儀器/粒子的分界綫分解開來,但是因爲巨觀凝態系統能夠去相干,所以反而可以沿著去相干的維度(對應著不同測量結果)來分拆。以上是量子去相干的核心論點,但是現實是否只有一個,它在不同測量結果之間如何做選擇,這就超越了量子去相干理論的範疇,需要進一步的理論分析。Bohmian Mechanics認爲現實對應著一個隱藏的點粒子,並以此為根據,建立了完整的邏輯體系。
    我個人覺得BM是目前最好的解釋,但是仍然不完美,所以大概不是最終的解釋。然而量子去相干卻完全沒有疑義,它是量子力學測量過程的邏輯正解,任何堅持Copenhagen解釋的文章,都是拒絕接受科學的進步,固守已被淘汰的破產理論,如同古人假想有天神存在一樣,在事實和邏輯上原本就是站不住脚的假設,現在有了邏輯嚴謹的替代理論,是該放棄的時候了。
    【後註】最新一集的《Big Bang Theory》談了高能物理現在的處境,和行内人必須撒謊的壓力。有興趣的人可以看http://www.cbs.com/shows/big_bang_theory/video/GTCEx8Olyltbha1m901WM_fPcj_6W139/the-big-bang-theory-the-retraction-reaction/
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