测量的定义和宏观物体不存在量子叠加态分析

周 勇

(中国石油大学(华东)理学院,山东 青岛 266580)

宏观世界中,测量一般不会影响被测物的状态,但是在微观世界,测量往往会影响被测量粒子的状态,从而改变描述被测量粒子状态的波函数。测量究竟为什么会改变微观粒子的状态?测量的准确定义是什么?为什么微观粒子具有不确定性,可以处于叠加态,而宏观物体却不存在叠加态,如何解释这个区别?关于以上问题,物理学史上曾提出过很多假设来解释,像多世界理论[1]、退相干历史、自发定域理论等,现在也有很多学者尝试用新的思路和方法来分析、阐释其中存在的问题和困惑之处[2-6]。本文尝试给出量子力学中关于测量的准确定义，并在此基础上对此类问题给出一个合理的解释。

在量子力学史上经典的电子双缝干涉实验中,电子通过双缝后处于两条单缝的叠加态,所以在双缝后面的屏幕上出现了双缝干涉条纹。如果实验中在某个单缝后面放置一个测量电子是否出现的仪器,那么屏幕上双缝干涉条纹就会消失,取而代之的是两条单缝衍射条纹的非相干叠加。这说明,测量改变了电子的叠加态,使得它“坍缩”到了一个单缝态上。这个实验表明,在微观世界里测量方式的不同会影响到测量的结果,这一思想是量子力学关于测量的一个重要原则。产生这一现象的原因可以这样理解:处于叠加态的粒子的状态本来就是不确定的,不同的测量方式会导致波函数向不同的方向演化,从而向不同的状态坍缩,导致不同的测量结果。

既然测量这么重要,那么什么是量子力学中关于测量的准确定义呢?测量可以看作是被测量粒子和测量仪器之间的一种相互作用,这种相互作用要强到足以改变仪器的状态,从而在仪器上留下痕迹,粒子才能被探测到。与此同时,根据一般的守恒理论,被测粒子也要相应地改变其状态,损失一定的能量和动量。所以测量可以定义为:测量是一种相互作用,其强度强到足以改变参与相互作用的粒子的物理状态。测量过程中被测粒子肯定是作为一个整体参与相互作用的,所以仪器探测到的才是一个完整的粒子,而不是部分粒子。所以,测量会迫使微观粒子显示出它的粒子性。所谓粒子性,是指粒子作为一个整体参与到相互作用中所显示出来的整体性、定域性和状态的确定性。

微观粒子可以处于各种不同状态的叠加态,其状态有不确定性,测量可以影响粒子的状态。这些量子现象为什么没有在宏观物体上表现出来呢?薛定谔提出的“薛定谔猫”理想实验为什么不能在现实中实现呢?众所周知,人们从来没有观察到一个宏观生物处于既死又活的状态。我们想问的是既然微观粒子有不确定性,为什么由微观粒子组成的宏观物体没有这种不确定性?关于这个问题有很多种解释,至今仍然没有定论。不过,可以从测量的角度重新讨论这个问题。

由于热运动的存在,组成宏观物体的微观粒子时刻发生着相互作用,这种相互作用会改变参与作用粒子的能量和动量状态,所以相当于一种测量行为。因为测量不断发生,使粒子的波函数不断坍缩,波动性和不确定性不断消失,粒子性不断显现,所以宏观物体很难保持量子叠加态,除非不受到外界的任何扰动,并处于极低的温度,使得热运动几乎消失。这也是现代量子力学实验中纠缠态粒子很难保持其纠缠状态的原因,它们很容易受到自身内部和周围粒子的相互作用的干扰。在薛定谔猫的实验中,猫本身也是其自身状态的观察者,它通过自身的神经系统不断探测身体各部分的状态。处于常温状态的猫的肢体是一个高度自相互作用(自身内部间发生相互作用)系统,所以猫的各部分机体都处于确定的状态,不存在叠加态,即使没有外界的测量,猫本身的死活也是确定的。

“薛定谔猫”理想实验中,设计的电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,放出一个粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。原子核的衰变是量子随机事件,在没有测量前原子核处于衰变和未衰变的叠加态,所以薛定谔推测,如果不对密室中的系统进行观测,猫也处于一种生与死的叠加态。只有在揭开盖子观测的一瞬间,才能确定猫的死活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即坍缩到或死或活的状态。通过这样的实验设计,薛定谔期望可以将微观粒子的不确定性放大到宏观物体。但是要想将微观粒子(放射性原子)的不确定性放大,必须将一个宏观物体(电子开关)和微观粒子相关联。如果所用的宏观物体只是普通的、不存在量子叠加态的宏观物体,这种关联要使得宏观物体的状态发生改变,就必须改变微观粒子的状态,譬如电子开关吸收原子核衰变放出的粒子的能量,状态由关变为开,这个过程中原子核的能量必然减少。这种相互作用强到是一种测量行为了,所以微观粒子的状态一定会从叠加态坍缩到确定的状态。如果所用的宏观物体存在量子叠加态,在某种机制下可能和一个微观粒子的叠加态产生共鸣,使得整个宏观物体处于某种叠加态。但是任何处于量子叠加态的宏观物体一旦和普通宏观物体接触,就会因为和普通物体中的大量微观粒子的相互作用失去其量子特性,变为普通物体。这种情况就像是热力学中一个高度有秩序的分子体系和一个高度混乱的分子体系接触,随机的热运动最终会使得两个体系都处于高度混乱的状态。所以薛定谔猫作为普通物体是不存在量子叠加态的。

总而言之,由于目前量子力学对测量行为没有一个准确的界定,这里在对历史上量子测量实验分析的基础上,给出了关于测量的一个准确、合理的定义,同时指出常温下的宏观物体之所以没有量子特性,是因为无规则的热运动使得组成宏观物体的微观粒子之间不断发生相当于测量行为的相互作用,微观粒子的状态不断退化到确定状态,所以不具有量子特性。只有有效控制热运动造成的粒子间的相互作用,才能使一个宏观物体处于量子叠加态,这通常需要极低的温度和屏蔽外界对系统的一切干扰。将来随着理论和实验技术的进步,宏观量子态的研究将不断深入发展,未来的研究方向之一可能是研究少量微观粒子的叠加态如何和宏观量子叠加态相互耦合成一个更大的宏观量子叠加态,这将为将来量子操纵领域的基础应用,提供坚实的理论和实验基础。