1700962622
上帝掷骰子吗？：量子物理史话（升级版） [:1700958659]
1700962623
Part. 2
1700962624
1700962625
按照退相干历史（DH）的解释，假如我们能把宇宙的历史测量得足够精细，那么实际上每时每刻都有许许多多的精细历史在“同时发生”（相干）。比如没有观测时，电子显然就同时经历着“通过左缝”和“通过右缝”两种历史。但因为在现实中，我们不可能分辨出每一种精细历史，而只能简单地将这些历史进行归并分类。在这种情况下，我们实际观测到的只能是各种粗略历史。因为退相干的缘故，这些历史之间失去了联系，只有一种能够被我们感觉到。
1700962626
1700962627
但是，各种历史的“粗略程度”还有等级的不同。还是拿我们的量子足球联赛来说，一支球队在联赛中的历史，最细可以精确到每一场的比分，那么最粗呢？最粗可以到什么程度呢？为了方便起见，我们不妨简单地把它分成“得到联赛冠军”和“没有得到联赛冠军”两大类。也就是说，如果你是这支球队的投资人，想要了解（测量）它今年的战绩。那么，如果你是最细心的人，你就可以追根究底，得到每一场比赛的具体比分（没有比这更详细的信息了）。而如果你是最粗心的人，那么只需问一句：今年夺冠了吗？至于其他的信息，都可以置之不理。
1700962628
1700962629
1700962630
1700962631
1700962632
DH中的历史树
1700962633
1700962634
这显然是两个极端，实际上在最粗和最细之间，还能分出众多的等级。按照“历史颗粒”的粗细，我们可以创建出一棵“历史树”。比如在“夺冠”这个分支下，还可以继续分出“胜率超过50%”和“胜率不超过50%”两个分支，然后以此类推……当然，因为我们假定，一场球最详细的信息就是具体比分，所以分到这个层次之后，就再也无法继续分下去。这最底下的一层就是“树叶”，也可以称为“最精细历史”（maximally fine-grained histories）。
1700962635
1700962636
对于两片树叶，也就是最精细历史来讲，它们通常是互相纠缠，或者说相干的。因此，我们无法明确地区分1∶0获胜和2∶0获胜这两种历史，也无法用传统的概率去计算它们。但正如上一章所说，我们可以通过适当的“粗略化”令它们“退相干”，比方说合并为“胜”“平”“负”三大类。这样一来，这三类历史就不再互相干涉，从而退化为经典概率。当然，并非所有的粗略历史之间都没有干涉，具体要符合某种“一致条件”（consistency condition），而这些条件可以由数学严格地推导出来。
1700962637
1700962638
1700962639
1700962640
1700962641
与环境作用的退相干
1700962642
1700962643
在DH解释里，当几个粗略历史之间不再干涉或相干时，我们就称其为系统历史的一个“退相干族”（a decoherent family of histories）。当然，DH的创建人之一格里菲斯也爱用“一致历史”（consistent histories）这个词来称呼它。
1700962644
1700962645
好，现在让我们回到现实中来，考察一下“薛定谔的猫”究竟是怎么回事。和前面提到的量子足球赛一样，如果我们能把一个系统的信息测量到“最精细”，就可以把它的历史一路分到最底层，也就是最精细历史的级别。而对于我们的宇宙来说，“最精细”的信息单元就是一个量子比特，因此在理论上，如果有某个超人能够辨认每一个量子比特，他就能体验到n种宇宙的精细历史在同时发生，并互相相干。
1700962646
1700962647
但对于我们这些凡夫俗子而言，我们就没有那么高的“分辨率”，于是只好简单地把宇宙的历史分成各种“大类”，也就是粗略化。在薛定谔猫的例子中，因为描述一只猫具体要用到1027 个粒子，而我们显然没法区分这1027 个粒子的每一种细微的不同状态，因此只好省略掉绝大部分信息，简单把它们分成“猫死”和“猫活”两种（就类似于量子联赛中的“夺冠”“没夺冠”）。由于省略了大量的信息，这两个“极粗”的历史也就彻底退相干了。在计算中，两个大类下的所有精细历史都被遍历求和，它们之间的干涉相互抵消，使得“猫死”和“猫活”变成了两种截然不同的状态。而我们只能感觉到其中的一种。
1700962648
1700962649
然而，从本质上来说，这种“分离”实际上只是我们因为信息不足而产生的一种幻觉。如果DH解释是正确的，那么宇宙每时每刻其实仍然经历着多重的历史，世界上的每一个粒子，事实上都仍处在所有可能历史的叠加之中！只不过当涉及宏观物体时，由于我们所能够观察和描述的无非是一些粗略化的历史，这才产生了“非此即彼”的假象。假如我们有超人的能力，可以分辨“猫死”或者“猫活”下的每一种精细历史，我们就会发现，这些历史仍然是纠缠而相干的。
1700962650
1700962651
嗯，虽然听起来古怪，但在数学上，DH也算是定义得很好的一个理论，而且看上去至少可以自圆其说。另外，就算从哲学的雅致观点出发，其支持者也颇为得意地宣称它是一种假设最少，而最能体现“物理真实”的理论。不过，DH的日子也并不像宣扬的那样好过，对其最猛烈的攻击来自我们在上一章提到过的，GRW理论的创立者之一Gian Carlo Ghirardi。自从DH理论创立以来，这位意大利人和其同事至少在各类物理期刊上发表了5篇攻击退相干历史解释的论文。Ghirardi敏锐地指出，DH解释并不比传统的哥本哈根解释好到哪里去！
1700962652
1700962653
比方说，我们已经描述过，在DH解释的框架内，可以定义一系列的“粗略历史”，当这些历史符合所谓的“一致条件”时，它们就形成了一个退相干的历史族（family）。以我们的量子联赛为例，针对某一场具体的比赛，“胜”“平”“负”就是一个合法的历史族，它们之间是互相排斥的，只有一个能够发生。
1700962654
1700962655
但Ghirardi指出，这种分类可以有很多种，我们完全可以通过类似手法，定义一些其他的历史族，它们同样合法！比如说，我们并不一定要关注胜负关系，可以按照“进球数”进行分类。现在我们进行另一种粗略化，把比赛结果区分为“没有进球”“进了一个球”“进了两个球”以及“进了两个以上的球”。从数学角度看，这4种历史同样符合“一致条件”，它们构成了另一个完好的退相干历史族！
1700962656
1700962657
现在，当我们观测了一场比赛，所得到的结果就不是“客观唯一”的，而取决于所选择的历史族。对于同一场比赛，我们可能观测到“胜”，但换一套体系，就可能观测到“进了两个球”。当然，它们之间并不矛盾，但如果我们仔细地考虑一下，在“现实中”真正发生了什么，这仍然让人困惑。
1700962658
1700962659
当我们观测到“胜”的时候，我们省略了它下面包含的全部信息。换句话说，在计算中我们实际上是假设所有属于“胜”的精细历史都同时发生了，比如1∶0，2∶1，2∶0，3∶0，……所有这些历史都发生了，并互相纠缠着，只不过我们没法分辨而已。可对于同样一场比赛，我们换一组历史族，也可能观测到“进了两个球”，这时候我们的假设其实是，所有进了两个球的历史都发生了。比如2∶0，2∶1，2∶2，2∶3，……。
1700962660
1700962661
那么，现在我们考虑某种特定的精细历史，比如说1∶0这样一个历史。虽然我们没有能力观测到这样精细的一个历史，但这并不妨碍我们去问：1∶0的历史究竟发生了没有？当观测结果是“胜”的时候，它显然发生了；而当观测结果是“进了两个球”的时候，它却显然没有发生！可是，我们描述的却是同一场比赛！
1700962662
1700962663
DH的本意是推翻教科书上的哥本哈根解释，把观测者从理论中赶出去，还物理世界一个客观实在的解释。但现在，它似乎是哑巴吃黄连―有苦说不出。“1∶0的历史究竟是否为真”这样一个物理描述，看来确实要取决于历史族的选择，而不是“客观存在”的！实际上，大家可能已经发现了，这里的“历史族”和我们之前说到的“系综”其实是同一个意思，也就是说，在DH解释里，一个物体有着怎样的“属性”，这依然不取决于它本身，而取决于你将它归类到哪种系综里面。总而言之，DH和系综解释可谓换汤不换药，宇宙有什么样的历史，依然是我们主观上定义出来的！
1700962664
1700962665
更麻烦的是，就算我们接受宇宙不是“完全客观”的，也不能解决所有问题。因为反过来，它偏偏也不是“完全主观”的。上面说到，在DH理论中，我们可以随心所欲地构造出种类繁多的“退相干历史族”，但问题是，这些历史族绝大多数都在现实中从未出现过！还是拿我们的量子联赛来比喻。我们前面定义了两种退相干历史族：“胜，平，负”和“进0球，进1球，进2球，进2球以上”。这两种定义在数学上都成立，更关键的是，它们在现实中也都会出现，也就是说，你确实会观测到“胜”或者“进1球”这样的结果。
1700962666
1700962667
然而，从数学上而言，其实还有无穷种定义退相干族的办法，其中包括各种千奇百怪的方式，但DH却并没有告诉我们，为何在现实中只有少数几种会被观测到。
1700962668
1700962669
比方说，我们可以定义3种奇特的粗略历史：“又胜又平”“又胜又负”“又平又负”。虽然奇特，但这3种历史在数学上同样构成一个合法并且完好的退相干族：它们的概率可以经典相加，你无论观测到其中的哪一种，就无法再观测到另外的两种。但显然，在实际中我们从未观测到一场比赛“又胜又负”，那么DH就欠我们一个解释，它必须说明为什么在现实中的比赛是分成“胜，平，负”的，而不是“又胜又平”之类，虽然它们在数学上并没有太大的不同！
1700962670
1700962671
上面的说法你可能觉得有点不好理解，其实这就相当于在问：为什么每次观测薛定谔的猫，它的状态不是“死”，就是“活”，而不会有第三种可能？在日常生活中，这原本不是一个问题，然而在量子论看来，这却是相当值得奇怪的事情。因为按照量子论的看法，“死”和“活”无非是一组特定的坐标系，当猫的态矢量本征态落到其中一个数轴上的时候，就产生了“死”或者“活”的结果。但是，我们知道，在数学上坐标系并不是唯一的，我们完全可以随心所欲地定义各种不同的坐标系来描述一个具体的矢量。所以问题就来了：为什么在实际的观测中，上帝永远给我们选择同一种坐标系？为什么我们非要拿“死”和“活”这两种基本态作为数轴，而不能变换一下，改成其他状态组成的坐标系呢（例如又死又活之类）？这在量子力学中被称为‘优先基矢’问题。所以DH同样面临着这个困难，它依然无法回答，虽然数学上存在着无穷多种可能性，但现实中为什么我们始终只能观测到少数几种退相干族，而不是“一切皆有可能”？