2017-09-27 02:24
《观察者网》的科技编辑仍然觉得我以往对量子去相干的解释（参见前文《谈量子力学（一）》不够详尽，送了我一篇北京清华大学王向斌所写的对量子去相干的批评，问我如何回復。我把自己的旧文看了一篇，觉得的确可以説得更详细些。
以下是相关的文字。
王向斌说：
朱清时院士《客观世界可能并不存在》的关键论据是量子力学自身并未给出塌缩的来源机制，而朱把这个归结为意识。这样的归结，并无实验支持。为了批评《客观》，《捍卫》作者声称塌缩的机制是清楚的：退相干，即塌缩就是被测系统与宏观系统纠缠上了。国际上确实有一些学者试图用复合系统演化来解释测量过程，然而，这个演化（子系统退相干）过程与量子态塌缩完全是两码事。
考虑单次测量，测量完成之后被测系统的物理量具有确定值，被测系统自身也立刻处于一个明确的本徵态上。这就是说，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。而《捍卫》作者退相干即坍缩的说法与此基本事实矛盾。事实上，以退相干（与大系统纠缠）观点去解释量子测量，只能给出关于测量的系综统计结果，即诸如大量粒子的平均值之类，但是无法解释单次测量结果，即无法解释量子塌缩。
虽然在一些其他一些领域，由于只在乎系综统计结果，所以在实际计算中你可以用退相干过程来获得那个测量统计结果，在那里不需要管单量子态塌缩的具体结果。但是，在量子信息领域，我们经常要用到单次测量的结果，即真正涉及到量子塌缩。例如，量子态隐形传输，你要传1000个未知态，你就需要1000次贝尔测量的具体结果并根据每个具体结果对远处粒子做相应的操作。在这种情况下，只知道那总数为1000的测量结果的统计分布是没有意义的。
再回到朱清时院士意念说和《捍卫》的反驳。对于这一问题，我认为，朱清时院士对于量子塌缩的概念的总结是正确的（但是我不同意他随之而来的意念说）。而迄今为止量子物理学自身并不能解释塌缩的真正来源机制，这也是事实。但是基于这些，院士给出的那个意念决定塌缩依然只是一个猜想，这个猜想从来未获得严肃科学实验支持。
对于院士的猜想，我想给个类比：“圆周运动需要向心力和初速度。万有引力定律自身未解释月球绕地运动的初速度的来源”。此时院士猜想“来源于上帝之手”。再看《捍卫》作者的说法。他对于量子塌缩概念的理解是错的（按他的表述，我甚至怀疑他都根本没有量子塌缩的概念，即对单量子态的单次测量的具体结果），他的这个错误的理解实际上是在说“测量过程根本无需塌缩，因而院士的意念说没有存在的基础”。对于《捍卫》作者的这个说法，我再用那个月球初速度问题做个类比。他的说法就像是在说：“圆周运动根本不需要初速度，因此上帝之手没有存在的基础。科学归科学，宗教归宗教”！
如前所说，除非获得实验证实，我并不接受朱清时院士的意念说。但是，朱清时院士说的量子塌缩是存在的，而且至今量子理论没有回答塌缩的来源机制，这些是基本事实。不能以罔顾基本事实的方式去高举捍卫科学的大旗。
我的评论和对量子去相干的详解：
单粒子（Single Particle，没有缝隙，也没有墻）系统没有任何物理反应，所以当然用不上量子去相干；但是单事件（Single Event）实验绝对可以用量子去相干来解释清楚。请注意，量子去相干不但没有“塌缩”这个説法，它原本就是为了详细解释塌缩这个假象而发展出来的。
王向斌所说的“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”，是他错误的核心。量子去相干理论真正说的，刚好相反，就是测量的过程正是让被测量的粒子和测量仪器做反应，从而形成两者之间的纠缠，同时打破被测量的粒子原本在几个不同量子态之间的相干性（靠的是测量仪器的大量凝态粒子的自我相互作用来消灭相干性）。被测量粒子和测量仪器之间形成完美的纠缠态，而不是纯态。
用双缝实验做具体的例子：被测量粒子是单个入射光子；“测量仪器”则是那面墻，测量的物理量是光子的位置。光子经过双缝的时侯，走A路和走B路的波函数是叠加的，这时A和B就是所谓的“相干”。这和古典粒子随机决定走A路和走B路不同，因为古典随机现象叠加的是机率密度，而量子现象叠加的是波函数；前者是后者在向量空间的自我做张量外积（Tensor Product）后的对角綫项，一般说成是平方。因为在隙缝处两个波函数叠加，所以从隙缝到墻之间，经过薛丁格方程式的演化，在墻上的波函数分布仍然同时有A和B的贡献，于是產生了复杂的条纹，这叫做“干涉”。讨论到目前为止，都属于标准量子力学的范畴，可以用实验证明，没有任何争议。
波函数在墻上各个不同位置的可能性，也是叠加的，换句话说，仍然处于相干态。然后光子与墻作用，只有一个点亮起来，于是光子的位置被确定了，实验完成。在最后这一步，才出现对其背后逻辑的分歧看法，有了各种“解释”。
Copenhagen解释说，测量仪器和观察者都是系统（即这个单一光子）之外的神秘物体，波函数只对系统有效（只考虑被测量粒子，而不管粒子与仪器的互动，其实是Copenhagen解释的基础逻辑错误）。“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”都无法定义，反正人看到了自然会知道。那么既然只有光子有波函数，它撞墻的过程就必须从原本所有可能位置的相干态，一瞬间转变为集中在亮点的纯态，这被波尔叫做“塌缩”（Collapse）。至于在人类演化之前，显然没有任何可能的“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”，量子事件是怎么塌缩的，就不关波尔的事了。Copenhagen解释对懒得用脑的实验者来説，是个很直觉、容易上手的经验准则，但是完全经不起逻辑的推敲。
量子去相干则不一样。它说整个宇宙只有一个波函数，包含了每个粒子。相互之间没有作用的粒子，原本的多变数波函数可以Degenerate，分解成为个别粒子的波函数的简单乘积，所以光子的飞行过程，可以看作是单粒子波函数的演化。但是光子撞墻，就是它和墻内部的极大数量处于凝态的原子有了作用，这个过程绝对不能看作是单粒子波函数的自行演化，而必须是“光子+墻”（也就是”被测量粒子+测量仪器“）这个巨观系统的波函数的共同演化。因为墻处于低温凝态，每个原子的位置都是固定的，没有任何不同可能位置之间的不确定性和相干性，一旦光子和它作用，形成完美的纠缠，就以大欺小，把光子不同位置之间原本的相干性用巨量的原子稀释掉了（到非常接近于零，但不是数学上的零，只是物理上的零，亦即无法用实验与真零分辨出来）。这个过程叫做“去相干”；它不是什么神秘的新机制，而仍然遵守着薛丁格方程，只不过因为是数量极大的多体问题，所以不能有确解。这个过程的结果，不是一个纯态，而是”被测量粒子+测量仪器“之间的纠缠态。
Einstein所説的“上帝不掷骰子”，指的是Copenhagen解释里塌缩的过程中，原本光子有无限多个可能的位置，必须一瞬间丢弃近净，新的波函数里只剩下一个单一的测量结果，就像掷骰子一样。相对的，量子去相干解释里，原本光子的所有不同可能位置，仍然被包含在新的波函数里，并没有被舍弃；但是波函数已经不再能被视为个别粒子的波函数的简单乘积，而是一个巨观系统的波函数，所以不确定性仍然在，只是相干性被稀释光了。换句话说，新的波函数仍然包含着所有光子原本所有可能的位置a，b，c，d，e...，但是它们之间没有相干性，所以波函数在向量空间的表象里，出现了另一个与前不同的简化，是波函数分解成对应a，b，c，d，e...等等可能性的OR和（即只有一个能留存，量子力学里面叫做”Mixed States“），不论现实走上哪一条路，新波函数的演化都好像只对应着一个单一的测量结果。
我想很显然的，量子去相干不但没有任何定义上的困难，而且逻辑严谨自洽，推演过程自然，应用在没有人类的宇宙中，也完全没有问题。王向斌的毛病，出在他先接受Copenhagen解释的歪论，得到一个错误的结论（即光子必须处于纯态），然后用它来“证伪”量子去相干。
总结来说，单粒子一旦被“测量”，就是与测量仪器有了作用，也就不能再被视为独立的系统；新的系统是巨观的，包括了被测量的粒子和测量仪器，如果“观察者”操作了仪器，那么他也参与了作用，必须也被包括到系统里面。这时系统有很复杂的量子纠缠，波函数不能沿观察者/仪器/粒子的分界綫分解开来，但是因为巨观凝态系统能够去相干，所以反而可以沿着去相干的维度（对应着不同测量结果）来分拆。以上是量子去相干的核心论点，但是现实是否只有一个，它在不同测量结果之间如何做选择，这就超越了量子去相干理论的范畴，需要进一步的理论分析。Bohmian Mechanics认为现实对应着一个隐藏的点粒子，并以此为根据，建立了完整的逻辑体系。
我个人觉得BM是目前最好的解释，但是仍然不完美，所以大概不是最终的解释。然而量子去相干却完全没有疑义，它是量子力学测量过程的逻辑正解，任何坚持Copenhagen解释的文章，都是拒绝接受科学的进步，固守已被淘汰的破產理论，如同古人假想有天神存在一样，在事实和逻辑上原本就是站不住脚的假设，现在有了逻辑严谨的替代理论，是该放弃的时候了。