“真假美猴王”劇情如果反轉(zhuǎn)，量子力學(xué)怎么看？
文 | 張文卓（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院）
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西游記中的孫悟空神通廣大，七十二變，上天入地?zé)o所不能，在猴年春節(jié)儼然成為人見人愛的“猴圖騰”，為新春佳節(jié)增色不少。
且慢，西游記中可是提過四大神猴，除了靈明石猴孫悟空以外，赤尻馬猴成了大禹治水時(shí)抓的大反派，通臂猿猴成了封神演義里梅山七怪之首，而最后一個(gè)六耳獼猴居然能假扮孫悟空，令眾神無法察覺。
如果我們大膽地想像孫悟空有操控自身量子態(tài)的本事，他與六耳獼猴原本是一體，二者在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)由美猴王分身而成，那么西游記中“真假美猴王”的故事就很像一個(gè)“雙縫實(shí)驗(yàn)”了。“美猴王”通過“孫悟空”和“六耳獼猴”兩個(gè)狹縫，發(fā)生干涉，形成了疊加態(tài)：
|美猴王>=a|孫悟空>+b|六耳獼猴>
真假美猴王的故事就如同這個(gè)疊加態(tài)，孫悟空和六耳獼猴兩個(gè)“基矢”相干在一起。而最后孫悟空一棒打死六耳獼猴，就如同對這個(gè)疊加態(tài)做了測量，測量結(jié)果為孫悟空，宣告了這個(gè)故事的結(jié)束。
但是測量的結(jié)果也可能是六耳獼猴一棒子打死了孫悟空（如果如來設(shè)了局，測量結(jié)果成了六耳獼猴），繼續(xù)以“孫悟空”的身份西天取經(jīng)修成正果，無人察覺。這個(gè)結(jié)局細(xì)思極恐，但究竟會不會發(fā)生？讓我們來看量子力學(xué)不同詮釋給出的結(jié)果。
哥本哈根詮釋的困境
現(xiàn)在量子力學(xué)中通常所說的哥本哈根詮釋并不是玻爾和海森堡他們最早的版本，而是經(jīng)過了馮·諾依曼后期的增補(bǔ)。在該詮釋中，如果沒有測量，系統(tǒng)的疊加態(tài)就按照薛定諤方程確定性地演化。有了測量，系統(tǒng)的疊加態(tài)就不再按照薛定諤方程演化，而是會瞬間發(fā)生坍縮（collapse），直接落在一個(gè)“基矢”上。
在真假美猴王的例子中，悟空這一棒子產(chǎn)生了測量，使“美猴王”這個(gè)疊加態(tài)坍縮到了“孫悟空”這個(gè)基矢上。而坍縮過后，“六耳獼猴”這個(gè)基矢徹底消失。
當(dāng)然，如果是六耳獼猴一棒子打死悟空，結(jié)果會反過來。但同樣是只存在一個(gè)結(jié)果，其他結(jié)果不復(fù)存在。
哥本哈根詮釋將“測量”放在了最核心的位置，從疊加態(tài)到基矢一步到位，即測量使一個(gè)確定的量子態(tài)不耗費(fèi)時(shí)間地跳到一個(gè)經(jīng)典的隨機(jī)結(jié)果上。由于該詮釋過于依賴“測量”這驚鴻一瞥，使得它不可避免地和觀測者的行為產(chǎn)生了聯(lián)系。維格納甚至在馮·諾依曼的基礎(chǔ)上認(rèn)為人類的意識是引起波函數(shù)坍縮的原因。
盡管哥本哈根詮釋作為量子力學(xué)的正統(tǒng)詮釋，可以解釋各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但本身并不令人滿意。薛定諤的貓?jiān)诤凶颖淮蜷_之前處于死和活的疊加態(tài)？月亮沒有人看的時(shí)候是否還在那里？簡單粗暴的哥本哈根詮釋沒有對這些夸張的例子做出很好的解釋。
一致歷史詮釋
一致歷史詮釋（consistent histories），或者稱作退相干歷史（decoherent histories），在上世紀(jì)80年代由格里菲斯（Robert Griffiths）和歐內(nèi)斯（Roland Omnes），以及隨后的蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和哈特（James Hartle）等物理學(xué)家提出[1,2]。顧名思義，該詮釋以上世紀(jì)70年代大力發(fā)展的退相干理論為核心。提出者們認(rèn)為該詮釋是利用退相干過程對哥本哈根詮釋的一次升級，是哥本哈根詮釋的完美繼任者和發(fā)展者。
退相干是量子疊加態(tài)與環(huán)境相互作用時(shí)產(chǎn)生的逐漸喪失量子相干特性的過程，表現(xiàn)為波動性（即相位因子）的喪失。退相干的結(jié)果會使一個(gè)量子疊加態(tài)變成經(jīng)典的概率組合（用數(shù)學(xué)語言描述就是密度矩陣的非對角元消失，只留對角元）。退相干是一個(gè)完全客觀的物理過程，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上多次被證明。
當(dāng)系統(tǒng)變成了經(jīng)典的概率組合，測量的地位也就不那么重要了，它僅僅成為了從經(jīng)典概率中選一個(gè)結(jié)果的過程。量子態(tài)也不需要“坍縮”，而由退相干和純經(jīng)典概率的測量來取代。
依然用真假美猴王的故事來說明，從美猴王分裂成孫悟空和六耳獼猴那一刻開始，悟空和六耳獼猴兩者不同的猴生軌跡（與環(huán)境相互作用）導(dǎo)致他們之間發(fā)生了退相干，即相互之間的歷史完全獨(dú)立。在真假美猴王的階段，二者是完全獨(dú)立的兩個(gè)個(gè)體，最后誰生誰死都變成了直觀的經(jīng)典概率。孫悟空一棒子打死六耳獼猴（測量）也就不存在任何“坍縮”的行為。
那么六耳獼猴一棒子打死悟空的歷史呢？抱歉這個(gè)沒有發(fā)生在我們的歷史里，完全與我們的歷史無關(guān)，不需要去關(guān)心。這就是一致歷史詮釋對其它結(jié)果的態(tài)度。
一致歷史，或者說是退相干本身對薛定諤的貓的解釋看上去也遠(yuǎn)比哥本哈根解釋要合理。粒子打到探測器上開始就早早發(fā)生了退相干，使得探測器從控制是/否打破毒藥瓶到貓的生/死變成了兩條獨(dú)立的歷史，打開盒子發(fā)現(xiàn)貓的生或死都成為了經(jīng)典的概率事件。同理，退相干令月亮這么大的物體在極短時(shí)間內(nèi)就變成了經(jīng)典的狀態(tài)，無論是否有人看，它都在那里。
與多世界詮釋的關(guān)系
1957年艾弗瑞特（Hugh Everett）最早提出多世界詮釋的版本，還沒有引入退相干這個(gè)后來才出現(xiàn)的概念。用真假美猴王的故事來說明，悟空生六耳獼猴死，和悟空死六耳獼猴生兩個(gè)歷史都真實(shí)存在，并不是互相獨(dú)立，而是組成一個(gè)總的疊加態(tài)（即糾纏態(tài)）。推而廣之，整個(gè)宇宙就是一個(gè)大的疊加態(tài)，而我們經(jīng)歷的歷史只是其中的一小部分，并且無法感知到其它部分。
哥本哈根詮釋和多世界詮釋雖然能導(dǎo)致同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但兩者邏輯上無法相容。一致歷史詮釋作為哥本哈根詮釋的升級版，引入了退相干，是否能變得和多世界詮釋相容？目前還無定論。
祖瑞克（Wojciech H. Zurek）等人將退相干引入，發(fā)展了新版本的多世界詮釋。該詮釋代表著退相干之后的“經(jīng)典歷史”并不能完全獨(dú)立，而是需要成為整個(gè)多世界疊加態(tài)的部分?；蛘哒f，想把多世界和一致歷史結(jié)合在一起，就要放棄一致歷史詮釋對其它“經(jīng)典概率”事件的解釋，僅能保留退相干。而多世界就需要構(gòu)建更大的一個(gè)糾纏態(tài)把一致歷史包進(jìn)去，使得每一個(gè)糾纏態(tài)基矢的一小部分看上去都像互不相關(guān)的經(jīng)典概率事件。
糾纏歷史的理論和實(shí)驗(yàn)
試想如果悟空和六耳獼猴在“真假美猴王”的故事中并沒有完全發(fā)生退相干，通過互相影響還保持著相互糾纏的分身狀態(tài)，那我們就不能把兩個(gè)猴子各自的歷史獨(dú)立來看。這是一致歷史詮釋的另一個(gè)特點(diǎn)：允許沒有完全退相干的歷史存在。因此一致歷史詮釋認(rèn)為，我們宏觀世界是“粗?；钡臍v史，即都是完全退相干的歷史。而在微觀世界，很多歷史并沒有完全發(fā)生退相干，可以互相疊加在一起，我們稱之為“精?；睔v史。世界從微觀到宏觀越來越粗?；簿褪窃絹碓酵耆赝讼喔?。
諾貝爾獎得主威爾茲克（Frank Wilczek）和同事們做了進(jìn)一步推廣，提出了糾纏歷史（entangled histories）理論[3]，即在一致歷史詮釋的基礎(chǔ)上，讓不同的歷史之間沒有完全退相干，而是形成糾纏態(tài)。
最近，威爾茲克，密歇根大學(xué)的段路明和清華大學(xué)的尹章琦等人提出了一個(gè)驗(yàn)證糾纏歷史的不等式（相當(dāng)于糾纏歷史版本的貝爾不等式），并且利用單光子的偏振給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很明確地地違反了該不等式，即測量結(jié)果都大于1/16這個(gè)經(jīng)典極限，并且接近1這個(gè)完全糾纏歷史的極限。這就代表糾纏歷史真實(shí)的發(fā)生了。這項(xiàng)工作無疑是對一致歷史詮釋的一個(gè)有力支持。
有理由相信此類工作會逐漸增多，使得基于退相干的一致歷史詮釋逐漸取代哥本哈根詮釋，成為量子力學(xué)的主流解釋，而且有朝一日一致歷史詮釋能和基于退相干的多世界詮釋變得相容。
參考文獻(xiàn)
[1] R. Griffths, Consistent Quantum Theory. Cambridge: Cambridge UP, 2002. Print.
[2] S. Lloyd, Programing Universe. Random House US, 2006. Print.
[3] J. Cotler and F. Wilczek. “Entangled Histories.” arXiv:1502.02480 (2015); J. Cotler and F. Wilczek. “Bell test for histories.” arXiv:1503.06458 (2015).
[4] J. Cotler, et. al, “Experimental test of entangled histories.” arXiv:1601.02943 (2015).
（責(zé)任編輯 李曉明）
