神秘的量子生命：揭秘脆弱的量子相干性

脆弱的量子相干性

量子力学从数学理论上丰富了我们对微观世界的理解，但是它并不直观。但是对于电子绕核运动而言，算数等式的数学描述不等同于测量中实际的观察所见。因此，量子力学的奠基者们提出了一些特殊的量子力学法则，作为数学公式额外的补充。这些额外的法则被称为“量子假设”（quantum postulate）。量子假设帮助我们把量子力学的数学描述具象化，比如我们能够用某一时刻原子所处的位置和具有的能量对它进行描述。

我们的观测可以让本来无所不在的原子定位于特定的一点，到目前为止，没有人知道这种转变是如何发生的。大多数物理学家也一直对此抱着实用主义的态度，认为这就是理所当然“发生”了。之所以没有人深究这个问题，是因为我们的观测极易把怪异的量子世界与直观的宏观世界相混淆。检测微观对象的设备，比如上文中的电子探测器，本身却只能是宏观物体。但是量子力学的创立者们没有能够说明测量究竟是如何、何时以及为什么影响了量子世界。

从20世纪80年代到90年代，物理学家们开始意识到，观测让孤立的量子系统发生了变化。比如在单个原子参与的双缝实验中，具有量子特性的原子能够同时穿过两条缝隙形成干涉条纹。出于测量的目的，科学家在一侧缝隙旁安装原子检测器（我们选择了左侧），结果却发现对原子进行观测（注意，甚至是没有通过探测器的原子也相当于受到了检测，因为没有通过左侧的探测器意味着原子穿过了右侧的缝隙）导致原子的波函数与检测器上数万亿的原子发生了相互作用。在这种复杂的相互作用下，原子脆弱的量子相干性在周围嘈杂的分子噪音里迅速消失。这个过程就是我们在第1章中提到的退相干。

但是退相干并不都需要专业的探测器才会发生。每一个经典的宏观物体内都会发生退相干——虽然构成宏观物体的原子和分子都具有量子性质，但是这些粒子时刻发生的热振动以及周围其他粒子的撞击，使它们失去了相干性和波动性。所以，如果观测的本质是粒子之间发生的碰撞和干扰，那么对微观世界观测引起的退相干，其原因则是每个粒子周围所有的其他粒子，也就是它所处的环境，时刻对它进行观测而让它表现得像一个经典粒子。事实上，退相干是物理学中发生速度最快、最普遍的过程。正是因为这种普遍性让它长久以来一直游离在人们的视线之外。直到现在，物理学家们才开始尝试研究和控制这种现象。(www.xing528.com)

回到我们那个向水里投石头的比喻，如果我们把几块石头投入一个平静的池塘，要看清它们涟漪之间的交叠应该不算太难。但是如果把这些石头投进尼亚加拉大瀑布，它们激起的任何干涉波纹都将瞬间被瀑布混乱的波涛掩盖。量子系统周围喧嚣混乱的粒子运动正如同波涛汹涌的尼亚加拉大瀑布，瞬间就能抹除粒子的相干性。事实上，物质内的粒子不断受到来自外界（其他原子、分子或者光子）的推搡和碰撞。绝大多数情况下，粒子所处的环境都过于聒噪，用尼亚加拉瀑布来比喻一点都不为过。

量子相干性和退相干

coherence, decoherence

各种量子力学现象，比如波动性现象，同时具有多种状态的叠加态、精心排列的量子系统等被称为“量子相干性”；相对的，相干性丧失，量子现象变为经典现象的物理过程则被称为“退相干”。