由量子组成的概率世界怎么变成确定性的经典世界

如果我们知道某一时刻篮球的位置和运动，以及作用在它身上的所有力，我们就可以从经典的运动定律中推断出它之后的确切位置。但是量子力学不允许我们对粒子这样做，它告诉我们的只是粒子稍后可能在哪里，我们在那里找到它的概率是多少。那么，未来不确定的量子力学的世界是如何变成我们所经历的可预测的经典世界？事实上，自从20世纪初量子力学发明以来，研究人员就一直在争论这个问题。

叠加

首先，让我解释一下量子世界是不确定的。现在想象一个量子粒子，如果我们观察它，我们可能会以50:50的概率发现它自旋向上或自旋向下。我们可能会认为，在观察它之前，粒子早就是其中的一种状态了，只是我们观察之后才会发现它是哪种状态。但事实并非如此，量子力学认为，在我们观察和测量之前，自旋不处于任何一个方向，测量行为本身才迫使宇宙做出选择。

如果经典世界也是这样的，那么一个孕妇肚子内的宝宝，就好像既不是男性也不是女性，直到医生用超声波进行检查才突然变成其中一种性别。这对孩子来说听起来好像很荒谬，但这正是量子世界中粒子发生的事情，粒子在测量之前处于所谓的叠加态。

所有表征基本粒子特性的变量，比如它的位置和动量，都被编码在称为波函数的数学表达式中。粒子没有被测量，波函数只是粒子所在状态的所有波函数的总和，这就是叠加。波函数本身没有直观的意义，但波函数的平方为我们提供了在任何给定位置找到这个量子物体的概率。

从概率到确定

所以现在你可能会问：如果我们在测量时只能看到这些变量的一个值，我们怎么知道它真的处于叠加态呢？我们之所以知道这一点，是因为即使无法直接观察到那些叠加状态，我们也能通过间接证据知道它们互相干涉。例如，在著名的双缝实验中，即使一次发射一个电子，我们也能在屏幕看到干涉图案。就好像它们中的每一个都同时穿过两个狭缝并干涉自己，只要我们不尝试知道这些粒子“实际上”在哪里，或者它“实际上”是什么状态，这些叠加以及它们引起的干涉就会永远存在。但如果我们这样做了，这些量子效应就会消失，粒子就会变成经典物体。

这是真正的问题：量子理论并没有告诉我们从概率到确定性的转变是如何发生的，量子力学所能做的就是在我们进行测量之前描述粒子。根据量子力学，粒子的波函数不可能突然从50:50的概率变成100%的确定性。这种开关没有理论依据，所以量子物理学家不得不手动添加作为量子力学本身的额外内容：坍缩，最早由物理学家约翰·冯·诺依曼提出。在过去的几十年里，量子研究人员已经意识到，要理解我们称之为波函数坍缩的东西，我们真正需要做的是更仔细地思考测量中发生的事情。

退相干

无论我们测量什么量子物体，我们需要一些方法让它与环境中的原子相互作用，尤其是我们大型测量设备中的原子。根据量子力学，这意味着粒子所处的量子态与环境中原子的状态纠缠在一起。如果粒子处于叠加态，那么这种叠加就会通过纠缠过程传播到与之相互作用的原子。粒子与其环境的相互作用越多，纠缠的原子就越多，叠加传播得越远。它仍然是一个量子系统，它仍然处于叠加状态，但在如此庞大的粒子群中，越来越难看到原始粒子的叠加量子态之间的任何同步。就像一群荡秋千的孩子，他们可能开始时同步来回移动，但逐渐失去了这种同步，这被称为退相干。

如果想看最初的叠加，则必须查看所有那些纠缠原子的量子行为才能获得全貌。但这很快就变得不可能了，这就像试图追踪漂浮的尘埃颗粒对空气中所有原子的影响。因此，随着纠缠的蔓延，它不可避免地会导致更多的退相干。

转自：“国家纳米科学中心”微信公众号

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