周 勇

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東 青島 266580)

宏觀世界中,測量一般不會影響被測物的狀態(tài),但是在微觀世界,測量往往會影響被測量粒子的狀態(tài),從而改變描述被測量粒子狀態(tài)的波函數(shù)。測量究竟為什么會改變微觀粒子的狀態(tài)?測量的準(zhǔn)確定義是什么?為什么微觀粒子具有不確定性,可以處于疊加態(tài),而宏觀物體卻不存在疊加態(tài),如何解釋這個(gè)區(qū)別?關(guān)于以上問題,物理學(xué)史上曾提出過很多假設(shè)來解釋,像多世界理論[1]、退相干歷史、自發(fā)定域理論等,現(xiàn)在也有很多學(xué)者嘗試用新的思路和方法來分析、闡釋其中存在的問題和困惑之處[2-6]。本文嘗試給出量子力學(xué)中關(guān)于測量的準(zhǔn)確定義，并在此基礎(chǔ)上對此類問題給出一個(gè)合理的解釋。

在量子力學(xué)史上經(jīng)典的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,電子通過雙縫后處于兩條單縫的疊加態(tài),所以在雙縫后面的屏幕上出現(xiàn)了雙縫干涉條紋。如果實(shí)驗(yàn)中在某個(gè)單縫后面放置一個(gè)測量電子是否出現(xiàn)的儀器,那么屏幕上雙縫干涉條紋就會消失,取而代之的是兩條單縫衍射條紋的非相干疊加。這說明,測量改變了電子的疊加態(tài),使得它“坍縮”到了一個(gè)單縫態(tài)上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明,在微觀世界里測量方式的不同會影響到測量的結(jié)果,這一思想是量子力學(xué)關(guān)于測量的一個(gè)重要原則。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可以這樣理解:處于疊加態(tài)的粒子的狀態(tài)本來就是不確定的,不同的測量方式會導(dǎo)致波函數(shù)向不同的方向演化,從而向不同的狀態(tài)坍縮,導(dǎo)致不同的測量結(jié)果。

既然測量這么重要,那么什么是量子力學(xué)中關(guān)于測量的準(zhǔn)確定義呢?測量可以看作是被測量粒子和測量儀器之間的一種相互作用,這種相互作用要強(qiáng)到足以改變儀器的狀態(tài),從而在儀器上留下痕跡,粒子才能被探測到。與此同時(shí),根據(jù)一般的守恒理論,被測粒子也要相應(yīng)地改變其狀態(tài),損失一定的能量和動(dòng)量。所以測量可以定義為:測量是一種相互作用,其強(qiáng)度強(qiáng)到足以改變參與相互作用的粒子的物理狀態(tài)。測量過程中被測粒子肯定是作為一個(gè)整體參與相互作用的,所以儀器探測到的才是一個(gè)完整的粒子,而不是部分粒子。所以,測量會迫使微觀粒子顯示出它的粒子性。所謂粒子性,是指粒子作為一個(gè)整體參與到相互作用中所顯示出來的整體性、定域性和狀態(tài)的確定性。

微觀粒子可以處于各種不同狀態(tài)的疊加態(tài),其狀態(tài)有不確定性,測量可以影響粒子的狀態(tài)。這些量子現(xiàn)象為什么沒有在宏觀物體上表現(xiàn)出來呢?薛定諤提出的“薛定諤貓”理想實(shí)驗(yàn)為什么不能在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)呢?眾所周知,人們從來沒有觀察到一個(gè)宏觀生物處于既死又活的狀態(tài)。我們想問的是既然微觀粒子有不確定性,為什么由微觀粒子組成的宏觀物體沒有這種不確定性?關(guān)于這個(gè)問題有很多種解釋,至今仍然沒有定論。不過,可以從測量的角度重新討論這個(gè)問題。

由于熱運(yùn)動(dòng)的存在,組成宏觀物體的微觀粒子時(shí)刻發(fā)生著相互作用,這種相互作用會改變參與作用粒子的能量和動(dòng)量狀態(tài),所以相當(dāng)于一種測量行為。因?yàn)闇y量不斷發(fā)生,使粒子的波函數(shù)不斷坍縮,波動(dòng)性和不確定性不斷消失,粒子性不斷顯現(xiàn),所以宏觀物體很難保持量子疊加態(tài),除非不受到外界的任何擾動(dòng),并處于極低的溫度,使得熱運(yùn)動(dòng)幾乎消失。這也是現(xiàn)代量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)中糾纏態(tài)粒子很難保持其糾纏狀態(tài)的原因,它們很容易受到自身內(nèi)部和周圍粒子的相互作用的干擾。在薛定諤貓的實(shí)驗(yàn)中,貓本身也是其自身狀態(tài)的觀察者,它通過自身的神經(jīng)系統(tǒng)不斷探測身體各部分的狀態(tài)。處于常溫狀態(tài)的貓的肢體是一個(gè)高度自相互作用(自身內(nèi)部間發(fā)生相互作用)系統(tǒng),所以貓的各部分機(jī)體都處于確定的狀態(tài),不存在疊加態(tài),即使沒有外界的測量,貓本身的死活也是確定的。

“薛定諤貓”理想實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)的電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變,放出一個(gè)粒子,觸動(dòng)電子開關(guān),錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出里面的氰化物氣體,貓必死無疑。原子核的衰變是量子隨機(jī)事件,在沒有測量前原子核處于衰變和未衰變的疊加態(tài),所以薛定諤推測,如果不對密室中的系統(tǒng)進(jìn)行觀測,貓也處于一種生與死的疊加態(tài)。只有在揭開蓋子觀測的一瞬間,才能確定貓的死活。此時(shí),貓構(gòu)成的波函數(shù)由疊加態(tài)立即坍縮到或死或活的狀態(tài)。通過這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),薛定諤期望可以將微觀粒子的不確定性放大到宏觀物體。但是要想將微觀粒子(放射性原子)的不確定性放大,必須將一個(gè)宏觀物體(電子開關(guān))和微觀粒子相關(guān)聯(lián)。如果所用的宏觀物體只是普通的、不存在量子疊加態(tài)的宏觀物體,這種關(guān)聯(lián)要使得宏觀物體的狀態(tài)發(fā)生改變,就必須改變微觀粒子的狀態(tài),譬如電子開關(guān)吸收原子核衰變放出的粒子的能量,狀態(tài)由關(guān)變?yōu)殚_,這個(gè)過程中原子核的能量必然減少。這種相互作用強(qiáng)到是一種測量行為了,所以微觀粒子的狀態(tài)一定會從疊加態(tài)坍縮到確定的狀態(tài)。如果所用的宏觀物體存在量子疊加態(tài),在某種機(jī)制下可能和一個(gè)微觀粒子的疊加態(tài)產(chǎn)生共鳴,使得整個(gè)宏觀物體處于某種疊加態(tài)。但是任何處于量子疊加態(tài)的宏觀物體一旦和普通宏觀物體接觸,就會因?yàn)楹推胀ㄎ矬w中的大量微觀粒子的相互作用失去其量子特性,變?yōu)槠胀ㄎ矬w。這種情況就像是熱力學(xué)中一個(gè)高度有秩序的分子體系和一個(gè)高度混亂的分子體系接觸,隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)最終會使得兩個(gè)體系都處于高度混亂的狀態(tài)。所以薛定諤貓作為普通物體是不存在量子疊加態(tài)的。

總而言之,由于目前量子力學(xué)對測量行為沒有一個(gè)準(zhǔn)確的界定,這里在對歷史上量子測量實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,給出了關(guān)于測量的一個(gè)準(zhǔn)確、合理的定義,同時(shí)指出常溫下的宏觀物體之所以沒有量子特性,是因?yàn)闊o規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使得組成宏觀物體的微觀粒子之間不斷發(fā)生相當(dāng)于測量行為的相互作用,微觀粒子的狀態(tài)不斷退化到確定狀態(tài),所以不具有量子特性。只有有效控制熱運(yùn)動(dòng)造成的粒子間的相互作用,才能使一個(gè)宏觀物體處于量子疊加態(tài),這通常需要極低的溫度和屏蔽外界對系統(tǒng)的一切干擾。將來隨著理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,宏觀量子態(tài)的研究將不斷深入發(fā)展,未來的研究方向之一可能是研究少量微觀粒子的疊加態(tài)如何和宏觀量子疊加態(tài)相互耦合成一個(gè)更大的宏觀量子疊加態(tài),這將為將來量子操縱領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用,提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。