量子与现实世界的界限在哪？为了找到答案，他们决定将动物送入量子世界

2018 年 12 月 5 日 中科院物理所

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按照量子力学，微观粒子没有确定的状态，它们可以同时处于多个位置，同时以不同的速度运动。然而，我们眼中的宏观世界却没有这样的怪异现象。现实真的被分成了两个截然不同的世界吗？量子和经典的边界在哪里？前者又是如何向后者转变的？为了解答这些问题，物理学家设计了各种精巧的实验，甚至打算把一只水熊送入量子世界，让它处于某种叠加态。

西蒙·格勒布拉赫尔（Simon Gröblacher）的大部分作品都是肉眼看不到的。在荷兰代尔夫特理工大学的实验室里，他制造的一个机械装置只有几百万分之一米长，比一个细菌大不了多少。这个装置的厚度是250纳米，大约是一张纸厚度的千分之一。毫无疑问，格勒布拉赫尔还可以继续缩小他的设计，但他有一个不同的目标：他想把装置放大，而不是缩小。“我们正在尝试的就是制造那些真的很大的东西。”他边说边在电脑上展示了所提到的装置的图像。请记住，对于格勒布拉赫尔这样一个实验物理学家而言，“真的很大”指的是不借助显微镜只能勉强看到的东西，“1毫米乘1毫米的尺寸。”

通过研究这类尺度不是那么大的系统，格勒布拉赫尔希望解决一个非同寻常的问题：一个宏观物体可以同时处在两个地方吗？这个看似不可能的状况，对原子、光子和所有其他微观粒子来说其实是很正常的。根据量子理论的离奇定律，现实在最基本的层次上是违背我们的常识性假设的：至少在没有对它们进行观察的时候，粒子没有固定的位置、能量或任何其他确定的性质。它们能同时处在许多状态。

但是，由于某些物理学家还未理解的原因，我们看到的现实是不同的。我们的世界——甚至我们无法直接观察到的部分，看起来显然是非量子的。“真的很大的物体”，也就是说尺寸比病毒要大的东西，仅会在一个地方出现。这就产生了一个谜：如果一切都建立在具有量子不确定性的物质和能量之上，为什么我们无法亲身体验到量子奇异性呢？量子世界的尽头在哪？现实是否存在一道裂痕，有一个让量子效应消失的尺度？或者说量子力学无处不在，只是我们在某种程度上忽视了它？

测量让量子转化为了现实？

尽管存在若干悖论，量子力学仍是有史以来最为强大和严谨的科学理论。这一理论的预言与实验结果的符合程度高得匪夷所思，在某些情况下准确度甚至在万亿分之一以内。量子力学改变了我们对原子结构的理解，从而也改变了从生物学到天体物理学等等，科学的方方面面。然而，这个理论有一个明显的缺点，普林斯顿高等研究院的理论物理学家斯蒂芬·L·阿德勒（Stephen L. Adler）说：“在量子力学中，事情不会发生。”

阿德勒隐晦的评论，针对的是量子理论基本方程对现实本质的解释，或者说，这种解释的无力之处。这些被称为波函数的方程可以计算物体处于不同状态中的概率。在牛顿物理框架下，苹果、行星以及一切事物都总是具有明确的性质，与之不同的是，量子物理在本质上是概率性的。从某种意义上说，波函数所描述的粒子，甚至不能说是完全存在的；它们没有固定的位置、速度或能量，只有概率。但当科学家对它们进行测量时，一切都会改变。测量之后，粒子真实、具体的性质就出现了，仿佛只是试图观察它们就使其改变了。理论不仅没有说明为什么测量带来了这种转变，也没有告诉我们为什么在诸多可能结果中展现出的是这一个，而不是其他的。量子力学描述的是测量后可能发生什么，而不是将会发生什么。换言之，该理论没有提供从可能转变为现实的机制。

为了在量子力学中“让事情发生”，该理论的传奇创始人之一维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出了一种近乎超自然的解释。在20世纪20年代后期，海森堡阐述并传播了这样一种观念，即测量的行为使得粒子的波函数“坍缩”——许多潜在的结果瞬间减少为单个观测结果。这一观念唯一的缺陷是，量子理论的方程无法预言坍缩的发生，也不能提供一种物理过程来解释它。海森堡的“解决方案”实质上将一个新的谜题引入了物理学：在波函数坍缩时到底发生了什么？这一量子疑难现在被称为“测量问题”。

测量坍缩：一种解释宇宙如何从量子跨越到经典的理论就是引入测量的干预。在没人观察的情况下，粒子可以处于量子叠加态上（黄色虚线）。一旦人类对它们进行测量，粒子就会被迫选择一个具体的状态（橙色实线）。这到底是如何发生的，还有为什么人类的测量会在物理学中产生如此大的影响，仍是未解之谜。

在过去的90年里，物理学家可能已经习惯了坍缩这个概念，但他们从未真正喜欢过它。在解释宇宙如何运作的最基本理论中，人类的行为——测量——起着核心作用，这种观点让任何一个内心更倾向客观现实概念的人都很难接受。

多世界还是退相干

解决测量问题的一个巧妙方法是假定坍缩根本不会发生。20世纪70年代初，H·迪特尔·策（H. Dieter Zeh）提出了一种在保持波函数叠加性的同时，使其出现坍缩效果的过程。策认为，在现实世界中，任何物体的波函数都与周围环境中的其他物体不可避免地联系在一起，我们无法精确追踪这些不计其数的量子相互作用。用量子的语言来说，波函数“纠缠”起来了。一个观察者只能看到这个巨大纠缠系统的一小部分，这就解释了为什么任何特定的测量都只能获取量子世界的一部分信息。

策把这个过程称为“退相干”，它已经成为物理学家回答为什么在宏观层面上看不到量子现象的首选解释。如果退相干模型是正确的，我们自己就生活在纠缠的量子网络中，但只看到了网络的一部分。

退相干：一种理论认为，粒子所处的环境会导致它从量子向经典过渡。只要一个粒子不受到外界影响的扰动，它就能保持在叠加态上。但一旦其他粒子或者物体的波函数和它自身的波函数相遇，这些物质波就可能发生干涉，最终导致粒子的诸多量子可能坍缩为一个确定的经典现实。

然而并非所有物理学家都认为退相干解决了测量问题。例如，它仍然无法解释为什么我们仅能看到量子网络的一条分支，而不是其他的分支。许多量子力学研究者都觉得，需要坍缩才能恢复世界在演化中的统一性，而不是寄希望于不断扩大的纠缠网。阿德勒对退相干的评价更为直率：“它根本没有（为波函数坍缩）提供一种机制。并不能解决这个问题。”

60年前，普林斯顿大学的一位博士研究生休·埃弗里特（Hugh Everett）提出了一个更彻底地解决坍缩问题的办法。他在1957年完成的博士论文中提出，波函数既不坍缩也不退相干，它的所有组成部分在物理上都是真实存在的，是不断分裂的多重宇宙的一部分。埃弗里特的理论被称为“多世界”诠释，它在宇宙学家中很流行，因为他们还有其他理由认为我们可能生活在多元宇宙中。但从未有人能从实验的角度区分多世界诠释和标准量子理论。

除了“多世界”诠释，还有其他十几个认定坍缩不会发生的量子力学诠释，但它们同样缺乏证据。最终，不同的量子派系根据自己的审美选择他们最喜欢的对现实的描述。 “让我们回到这样一个事实，我们的世界正在演化，” 布伦科强调，“为此，我们确实需要某种形式的坍缩，这不仅仅是一个为了解释实验结果而提出的规则，而是一种实际存在的过程。”

把水熊送入量子世界

在荷兰的代尔夫特市，格勒布拉赫尔向来访者展示了一个他和同事制造的“真的很大”的东西——一块拴在硅芯片上、毫米大小的薄膜，用肉眼勉强能看见。

靠近观察，这张膜就像一个微型蹦床。它是由氮化硅制成的，后者是一种耐用的陶瓷材料，也用在航天飞机的发动机轴承上。膜的中间还放置了一个高反射率的镜子。芯片上，一个部件的一次晃动可以使膜振动数分钟。“这样的膜是非常好的振子，” 格勒布拉赫尔说，“打个比方，就像在推秋千时，仅需要一次推动，秋千就会来回摇晃10年。”尽管这张膜非常小，但却极其结实。“我们真的给它施加了很大的压强，足足有6GPa，”格勒布拉赫尔的合作者之一理查德·诺尔特（Richard Norte）说，“这个压强大概是你自行车胎压的1万倍，而这张膜的厚度仅仅是DNA宽度的8倍。”

结实的特性使得这种膜成为研究量子现象的理想系统，它可以在室温下振动而不会破裂。格勒布拉赫尔和诺尔特的计划是，利用激光让膜进入量子叠加态，也就是让膜同时以两种不同的振幅振荡。膜能持续振动数分钟才停止，这种能力在理论上允许它的量子状态持续足够长的时间。这便让我们有机会看看膜在什么时候坍缩到单个经典状态，或者它到底会不会坍缩。

格勒布拉赫尔的实验示意图

“这正是构建某种量子系统时所需要的东西”，格勒布拉赫尔说，“我们不想让它与环境相互作用，因为这可能引起退相干。因此，我们想要一个与外界隔离得非常好的系统，并让它处于量子状态。接着，我们可以自己启动退相干，利用某种你可以控制的东西，比如激光。我们目前还没有实现让系统处于振动的量子叠加态，但这会是我们接下来几年的目标。”

即便实现了这个目标，格勒布拉赫尔和同事也没有打算就此停下。研究人员希望最终能将活的生物放在膜上，然后让膜和置于其上的乘客一起进入量子叠加态。在进军量子世界的计划中，头号候选者是一种八条腿的、被称为缓步动物的微小生物，它们也被称为水熊。“它们是非常神奇的生物，” 格勒布拉赫尔说，“任凭你冷冻它们，或是加热它们，甚至是把它们放在真空中，它们都能活着。”他承认这一步还有些遥远， “但这并不疯狂，这是一个很好的长期目标。但首先我们必须让我们的设备处于量子叠加态，然后才能去考虑把一个活的有机体放上去。”

无需有人观测的客观坍缩

不管有没有缓步动物，这样的实验都能让物理学家检验大自然是否在一个确定的尺度之上消除了量子效应。一些物理学家已经提出，坍缩可能是一种真实的物理现象，它具有可测量效应。一种被称为连续自发局域化（continuous spontaneous localization，CSL）的理论提出，波函数坍缩是一个在微观世界中不断发生的随机事件。根据CSL，任何单个粒子坍缩的可能性是极低的，可能在几亿年内发生一次。但是对于大量聚集的粒子体系来说，坍缩就变成必然的了。

连续自发局域化：一种解释是，波函数坍缩到某一个可能状态是一个随机事件，这并非是由人类或环境干扰所导致的。虽然任何一个粒子在任一给定时刻坍缩的几率非常小，但是对于一个包含了大量原子的宏观物体而言，至少有一个粒子坍缩便几乎成为一个必然事件。这就反过来导致整个系统的坍缩。

如果CSL是真实的，测量和观察就不会对坍缩有任何影响。在任何测量中，给定的粒子和用于记录它的设备都会成为巨大量子系统的一部分，这个系统会非常迅速地坍缩。尽管粒子从量子叠加态到一个确定位置的转变似乎是在测量过程中发生的，而事实上，早在测量发生之前，粒子通过与测量设备相互作用就已经完成了这种转变。

几十年来，大多数物理学家都将波函数坍缩视为量子理论中一个本质上不可检验的东西。但CSL和其他坍缩模型已经改变了这一观点。例如，CSL模型预测坍缩会让粒子产生轻微的抖动，进而产生一种无所不在的背景振动，这可能在实验中检测到。物理学家已经开始在一些令人意外的地方搜寻证据。

他们分析了激光干涉仪引力波天文台（LIGO）校准后的数据。LIGO首次探测到引力波信号时，在设于华盛顿州和路易斯安娜州的两个观测站中，引力波拉伸和压缩了两面反射镜之间的空间，让反射镜移动了质子直径1/4000的距离，这一结果与爱因斯坦广义相对论的预言完美契合。但巴西和同事在LIGO的数据中没有发现CSL预言的量子效应带来的额外移动。

按照CSL理论预测，量子抖动会推动LIGO的反射镜，但科学家目前还没有发现这样的证据。

物理学家也在搜寻暗物质（构成了宇宙中85%物质的假想粒子）的实验中寻找坍缩的迹象。一个深藏于西班牙比利牛斯山之下的实验设备，会使用锗探测器来搜寻暗物质粒子穿过探测器时产生的x射线闪烁信号。而一个正在坍缩的波函数也应该产生一些闪烁信号，但该实验的研究者还没有看到这样的辐射。

这一系列的实验已经大大收紧了对坍缩模型的限制，但目前还不足以排除某个模型。去年9月，英国南安普敦大学的物理学家安德烈亚·维南特（Andrea Vinante）等人宣布发现了支持CSL模型的初步证据。维南特等人制作了一个只有半毫米长，两微米厚的微型悬臂（一个一端固定的水平梁），它的端点焊接了一块小磁铁。研究人员小心地屏蔽了一切外界振动，并将悬臂冷却到0.04K，以消除任何可能由热现象引发的运动。

在这种情况下，悬臂会因为粒子的热运动而发生极其轻微的振动。但是实际的晃动却大于这一预想的运动。实验中用到的运动探测器是一种被称为超导量子干涉器件（SQUID）的非常灵敏的仪器，结果显示悬臂和它的磁铁像跳水板一样振动，上下弯曲了约万亿分之一米。而11年前阿德勒计算的坍缩波函数可能产生的振动，差不多就是这个量级。

“我们可以看到一些无法解释的噪音，” 维南特在描述他的实验结果时说， “这与我们期望的由坍缩模型带来的效应一致，但它也可能是由一种我们还没有完全了解的效应导致的。” 维南特和同事们正在升级实验系统，以期将实验灵敏度提高至少10倍，甚至100倍。“这样的话，我们要么能证实真的存在什么异常，要么也可以断定我们观察到的并不是什么有趣的东西。”

CSL等模型只是企图统一这两个尺度的初步尝试。虽然它们并非完全成熟的理论，但它们最终可能帮助物理学家建立比量子力学更全面的描述现实的模型。“我的观点是，量子力学需要做一些修正，” 阿德勒说，“我不明白这为什么是个问题。牛顿力学曾在长达200年的时间中一直被认为是精确的，但它并不是。大多数理论都有一个成立范围，在这个范围之外它们就失效了。这时，我们就需要一个更广泛的理论了。”

撰文：蒂姆·福尔杰（Tim Folger）

翻译：马宇翰，中国工程物理研究院北京计算科学研究中心博士研究生。

审校：孙昌璞，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、中国工程物理研究院北京计算科学研究中心教授。他主要从事量子物理、数学物理和量子信息理论的研究。

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编辑：蓲阳

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