退相干理论的意义分析，本文主要内容关键词为：意义论文,理论论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“退相干”是近20年来量子物理中最为流行的术语之一。退相干理论“开放性”的研究思路，能够以一种新的视角审视量子测量难题，分析经典与量子的关系。该理论除得到物理学家的深入研究外，也引起了许多物理学哲学家的关注。本文分析退相干理论的哲学根源，概述其在测量问题上的研究思路，探讨其哲学意义，希望有助于人们全面了解退相干理论。
一、退相干理论发展迟缓的原因
退相干理论的现代起源是在1970年：泽（Zeh）在《物理学基础》杂志发表题为《量子理论中的测量解释》的文章，特别指出实际的宏观系统都不是封闭的，总是在与环境进行着相互作用，这能够说明宏观系统量子态的脆弱性（cf.Zeh,1970,p.75），并在之后的论文中围绕相关的动力学问题进行了讨论（ibid,2003）。但在20世纪70年代退相干论题并没有引起更多的注意，因而该时期被泽称为是“退相干的黑暗时期”。20世纪80年代，基瑞克（W.H.Zurek）等人发表了关于退相干的定义及理论计算的论文，明确指出了“优先基问题（preferred-basis problem）”的重要性，提出了“环境引起的超选（einselection，即environment-induced superselection）”概念，确定了环境超选“优先指针态（preferred pointer states）”的简要框架。（Zurek,1981,pp.1516-1525; 1982,pp.1862-1880）这些基础工作成为退相干理论的核心。退相干理论被更多的人所关注是在1991年，基瑞克该年在《今日物理》上发表的关于退相干理论的简洁易懂的文章（ibid,1991）使得该理论广为人知，更多的人加入到对该理论的研究中来。
退相干理论在量子力学诞生近半个世纪、EPR纠缠提出40年之后，才开始进入当代物理学的研究视野，直到近20年才有长足的发展，是符合其所处的历史语境的。回顾量子力学80余年的发展历程，对影响退相干理论发生发展的原因可从以下三方面来分析：
1.封闭系统研究范式的束缚。16世纪以来物理学的研究一直局限于封闭物理系统，排除了环境对物理对象的干扰。量子力学早期的发展也未能超越此研究范式。当时观察到的量子效应往往发生在近乎孤立的系统中，如将量子理论应用到孤立的氢原子中，理论预言的分立光谱与实验数据符合得很好，没有必要革新孤立系统的研究进路。然而近40年来，“人们越来越意识到在经典物理学中取得了丰硕成果、并被简单推广到量子物理学中的封闭系统假设，正成为理解从量子到经典过渡的最主要障碍。”（Schlosshauer,2007,pp.3-4）量子系统的开放性——系统与环境的相互作用，对于解释量子性质如何过渡到经典性质的重要性逐渐被认识到，对系统的封闭研究范式开始被打破。退相干理论就是在突破此研究传统、把外部环境与系统的相互作用及二者之间形成的量子纠缠作为重要因素的基础上提出来的。
2.实用主义思维的影响。20世纪50年代之前，哥本哈根解释一直在量子力学解释中占据统治地位。哥本哈根解释坚持物理学理论的二元论，认为同时需要描述微观世界的量子力学和宏观世界的经典力学，我们经验的宏观世界不属于量子力学的描述范围，对量子世界测量的描述需要借助经典力学的语言，从而经典物理学是更为基本的理论。那时观察到的量子效应都发生在微观领域，宏观领域的量子效应尚未发现，这也在一定程度上支持了哥本哈根解释。这种实用主义思维的影响，使得人们满足于对现象的解释与描述，放弃了对物理学理论本质的追求。20世纪50年代以来，伴随着玻姆解释、相对态解释等新的解释体系对哥本哈根解释的突破，有着不同解决问题思路的退相干理论也就应运而生。
3.理论认识与实验水平的限制。在孤立系统理念起源的经典物理学中，物理系统的态是局域的，而量子力学中的态是非局域的。量子态的叠加随时间演化会在系统间形成量子纠缠，产生单个系统中所没有的新特性。尽管量子纠缠在1935年EPR论文中已被提出，但很长时间以来对量子纠缠性质的认识仍然不够，人们仍认为纠缠只有在实验室通过精密装置才可以产生，并未注意到纠缠是无处不在的和不可控制的。量子纠缠是退相干理论的重要支柱，而对量子纠缠及其非定域性认识的不足阻滞了退相干理论的提出。另外，随着物理学理论的深化与实验技术的提高，实验室观察到了介观的和宏观的量子效应，制造出了介观的和宏观的薛定谔猫态。这使得量子力学在宏观领域的应用成为可能，量子世界与经典世界问的界限问题变得更为突出，这种对量子与经典关系问题的研究促进了退相干理论的发展。
抛弃了封闭系统研究范式的束缚，突破了实用主义思维的限制，并且对量子世界的认识进一步深化、对实验技术操控有了充分进展之后，退相干理论便登上了历史舞台，开始为量子测量问题的解决贡献新的力量。
二、退相干理论与测量问题
退相干理论处理测量问题的思路是以冯·诺伊曼的标准量子力学体系为基底的，它在系统与仪器之外引入外部环境，对退相干过程起关键作用的是环境与系统（包括仪器在内）的相互作用及二者问的纠缠，而不需要增加新的数学的或解释的因素。
1.退相干理论对测量问题的分解
冯·诺伊曼的测量理论用量子力学术语把量子测量过程描述为在被测系统与测量仪器间的物理过程，把测量仪器也当作量子力学的描述对象，系统与仪器按照薛定谔方程随时间演化如下：
量子力学的预言表明，随着时间演化，在系统S与仪器A之间形成纠缠，系统态的叠加会扩散到系统与仪器组成的复合系统上，从而系统－仪器处于叠加态。而实际上我们对仪器的观察总是发现指针处于一个确定的位置，而非同时处于两个或更多的位置。这种量子力学的预言与实际测量结果的不一致便是量子测量问题。
退相干理论通过对测量问题的分析，把通常所指的量子测量问题称为确定结果问题（definite outcomes problem），此外又增加了优先基问题。优先基问题是指本质上是什么挑选了优先的物理量。在上述系统－仪器复合系统终态的展开中存在着基矢不明确问题：用系统s的不同可观察量展开是等价的，因而可以采用任意的可观察量展开。然而实际的情形是，存在不能同时测量的非对易量，且测量总是得到特性，如位置、动量等，而非任意的量。冯·诺伊曼标准的量子测量理论中，并没有说明存在优先的可观察量，而这一点恰恰是非常重要的，因为优先基的选择确立了测量结果的集合，只有在确定了测量结果的集合之后再研究究竟得到集合中的哪一个值，才是有意义的。
2.退相干理论对测量问题的解答
退相干理论考虑了环境的作用，在冯·诺伊曼理想量子测量模型链上增加了环境E，试图对测量问题进行动力学的解答。按照线性的薛定谔方程，系统－仪器－环境复合系统SAE演化如下：
环境E与仪器A的相互作用会影响到在系统S与仪器A间已建立的关联，从而改变、甚至破坏测量记录。1981年，基瑞克提出用仪器的“优先指针基”概念来指代对系统S的态保持可信记录的仪器A的指针基矢，即对于关联｜
破坏最少的指针基。也就是说，对应于仪器的优先指针基的系统S的可观察量的信息是稳定的，能够不被环境的作用破坏而保留下来。优先指针基的选择就交由仪器－环境相互作用的哈密顿量进行，不需要特定的假设就动力学地建立起了基矢选择的标准。（Zurek,1981）这种由环境、更准确地说是仪器－环境相互作用哈密顿量决定仪器的优先指针基，更进一步决定系统优先基的过程，被称为是环境引起的超选。（cf.Schlosshauer and Fine,p.132）
退相干理论对于确定结果问题的解决需要应用粗粒化过程，即只关注局域系统S与仪器A的信息，忽略掉绝大多数环境的信息。在系统－仪器与环境之间形成了纠缠后，系统S不再是封闭的孤立系统，对它的描述应当用约化密度矩阵来取代薛定谔方程。粗粒化过程是对约化密度求迹，平均掉环境E的自由度，只保留关于系统S与仪器A的信息。由于环境的自由度非常大，不同的环境态很快变得正交，从而使得描述系统S的密度矩阵接近于对角化，得到
。此时，对于系统S与仪器A而言，原先不同态之间的相干干涉近似等于0，对应于系统S可观察量的每个可能结果｜
〉〈｜都有相应的发生概率
。至此，退相干理论得到具有经典概率的测量结果集合，从而说明了为什么在实际的测量中得到的总是有一定概率的确定结果，而非不同结果间的叠加。
3.退相干理论是否解决了测量问题？
退相干理论在量子力学的范围内，应用系统与环境的相互作用动力学地解决了优先基问题。然而，在对确定结果问题的回答上，退相干理论并不充分。因为粗粒化过程实质上是投影假设的统计版本，仍需借助于量子力学的几率解释。在平均掉环境的自由度过程中，已经预设了会有确定的结果产生且应用了玻恩几率规则。“求迹的形式与解释都预设了波函数的几率解释，并最终地依赖于在某个特定的阶段发生波函数的塌缩。”（Schlosshauer and Fine,p.129）退相干理论采用粗粒化过程来得到可能结果系统，在物理实质上与波函数塌缩并无不同，仅有数学操作上的差异。
退相干理论可以说明为什么特定的对象在观察时表现为是经典的，解释在不同仪器指针间相干干涉的不可见性，但不能够说明如何从众多的可能结果转变到一个特定结果。换句话说，退相干理论并不能取代塌缩假设来解决测量问题。即便是退相干理论的提出者与支持者，都一致承认退相干理论并未能够解决量子测量问题。因为对确定结果问题的回答涉及到对量子力学解释的选择，而脱离了具体的量子力学解释语境，退相干理论本身无法说明为何会得到确定的测量结果。
因而，不能把退相干理论作为一种独立的量子力学解释体系，与哥本哈根解释、多世界解释、隐变量理论等相提并论：后者对波函数、玻恩规则等有着不同的解读，在标准的量子力学数学体系之外引入了不同的附加假设，要么采用塌缩机制，要么采用多个本体宇宙假设或是更深层次的动力学理论，因而能够对测量得到单个结果给出解释，但前者却不行。退相干理论是在量子力学框架内，在冯·诺伊曼测量理论基础之上，对实际情形中的量子系统及观察效应进行量子力学描述的一种动力学理论，是对封闭系统量子力学研究的补充。尽管如此，退相干理论对测量问题的分析可以服务于量子力学的解释体系，如把退相干理论应用于多世界解释，能够在波函数的分裂中选择动力学上稳定的方向。而事实上，退相干理论最初提出时就是结合多世界解释进行的，致力于解决测量问题。而在20世纪90年代之后，多种不同的量子力学解释理论的发展都部分吸收了退相干理论来不断充实与发展自身，也涌现出了在退相干理论基础之上的新的解释体系，即一致历史解释（consistent histories interpretation），也称为退相干历史解释（decoherent histories interpretation）。
三、退相干理论的意义分析
退相干理论预设了不同的理论观、世界观，反映出了其形而上学的预设。反思这一预设背后的寓意，可以在物理学理论结构、量子力学与主观性、理论的实在性等方面增进对退相干理论的理解。
1.退相干理论所预设的理论观
从量子力学诞生之日起，关于经典力学与量子力学的关系便一直在讨论中：经典力学能否像牛顿力学作为相对论理论在运动速度极小于光速时的极端情形一样，作为量子力学的极端情形；是否可以认为量子力学是更为基本的理论，经典力学可以从量子力学中演绎出来。在量子力学诞生之初，“人们试图通过取适当的极限从量子理论推导出经典力学，认为当量子不连续性能够被认为是无限小时，经典理论正确地描述了观察到的现象。……在这个条件下，量子理论的语言在实践的可观察事实上与经典物理相一致。这被称为是对应原理。”（d' Espagnat,p.11）
不同于哥本哈根解释中的物理理论二元论，退相干理论肯定了量子力学的普适性与根本性，认为量子力学才是最为基本的物理学理论，经典力学原则上能从量子力学中推导出来，不需要寻找在经典与量子之间的界线，原本也不存在这样的界线。量子物理学是本体实在的理论，整个宇宙都遵循量子物理学规律在按照薛定谔方程不断地幺正演化，宇宙间的万事万物都是相干叠加存在的，即同时处于许多个不同的状态：猫可以既死又活，在这些不同的态间存在着相干干涉。量子性是物理世界最为根本的性质、是宇宙的本真状态。
“环境引起的退相干方法的重要特征是，它不认为经典的确定性是物理实体先验的要求，而认为其是人类观察者感知宇宙方式的结果：经典的宇宙其实并不存在，它是一个人类中心主义的概念，是用来描述我们所看到的现象的一个概念工具”。（Janssen,p.65）经典物理学不是本体实在的理论，即客体被观察到处于单一的、不相干的态，拥有确定的物理量值；这些经典物理学所描绘的情形都是主体依据观察结果建构而来的，其中观察结果由于发生退相干而总是确定的。经验世界中看到的经典性是由于宏观物体与其外部环境的相互作用导致相干扩散到更大的外部环境，相对于局域的观察者不可见，从而显现出来的。与通常所认为的量子系统是脆弱的、会受到外部的干扰改变状态的观念相反，退相干理论导出的结论是：宏观系统才是脆弱的，会受到外部环境的相互作用局域地失去其本来的量子性，从而表现出经典性。量子实在是普遍的，经典实在是局域的。
然而，当量子力学成为描述物理客体的终极理论之后，从量子力学到经典力学如何演绎？二者的界限在哪里？经典物理的概念如能量、温度等等如何从量子力学中导出，如何从环境与系统的相互作用和退相干理论中推导出？这些问题都是退相干理论需要面对的，也是所有寻求最终物理学理论实体的量子力学解释理论需要面对的。
另外，退相干理论尽管很好地解释了经典性如何从量子理论中产生出来，说明了宏观世界没有量子叠加的原因所在，然而这样一种解释，“既可以在本体层面，即客观的层面实现，也可以在观察层面，即主观的层面实现。客观的确定性试图保证宏观世界中的真实确定性，而主观的确定性只是试图说明为什么宏观世界看起来是确定的，并不对深层的物理实体的确定性作描述”。（Schlosshauer,2004,p.1271）退相干理论没有要求其自身在本体论层面的实在性，对于经典性从量子性中产生出来的说明完全可以仅在认识论层面、相对于特定的局域观察者而言。
2.退相干理论所预设的世界观
退相干理论预设了宇宙的可分性，把宇宙分成被测量的部分与测量以外的部分，即系统与环境，其中观察者——测量主体包含在环境中。环境的自由度很大，包括所有对于系统态演化有重要贡献的自由度，这些自由度不能够被控制。在预设了量子力学的普适性后，测量问题的产生就源于宇宙的可分性。“只要宇宙不分成单个的子系统，就不会有测量问题，整个宇宙的态函数决定性地按照薛定谔方程演化，就不会有解释的困难。只有当我们把整个宇宙的希尔伯特态空间H分解成两个子空间
，相应地有耦合态向量
，并且给两个系统中的一个赋予单个的态时，才会有测量问题产生。”（ibid,p.1274）基瑞克的说法是：“没有系统存在时，解释问题就不会出现。没有系统的宇宙不需要塌缩。我们对于经典实体的经验并不适合于从外部来看整个宇宙，而是在宇宙内部来对系统进行观察。像观察、关联与相互作用这样的术语若没有系统的划分时，自然是没有意义的。”（Zurek,2003,p.718）正是由于宇宙的可分性，经典性才会从量子性中产生出来，才会有量子测量问题。
当把退相干理论应用于整个宇宙时，会产生“封闭宇宙问题”。在封闭的宇宙之外不存在外部的环境，不存在退相干理论中可以平均掉的未观察的自由度。若在宇宙之外有观察者的话，他应该会观察到整个宇宙按照薛定谔方程决定性地演化，满足量子力学规律。但测量本来就是局域的，在得到特定部分信息的同时要忽略掉其余部分的信息。正如兰兹曼（Landsman）所认为的：“量子力学中的测量、事实、事件的本质在于忽略所研究系统的特定部分。”（Schlosshauer and Fine,p.136）只有在宇宙内部的局域观察者，才能够观察到退相干的发生，观察到有确定的结果。
宇宙可分的世界观是退相干理论分析问题的基底。然而在对宇宙进行分解的过程中，是什么确立了分解的标准？是局域的观察者。“系统”、“仪器”、“环境”等概念暗含了对世界的人工划分，测量对象是主体关注的，而测量对象之外的环境是被主体忽略的。在被观察与不被观察的选择上，仍然需要主体。可见，在力图给出客观解释的退相干理论中少不了主体作用的发挥，但这并不等于说退相干理论中包含有主观论的成分。在科学理论的构造中，我们要避免的是主观论，而不是完全摒弃主体的成分。科学理论离不了构造理论的主体，正是主体在对自然的测量语境中构造理论，在实践语境中修正理论。科学理论的构造是一个主体在场的、不断的语境重构的过程，完全脱离了主体的科学理论是不存在的。在此种意义上，退相干理论在对客观性追求的过程中，主体在“系统”与“环境”划分中的地位是完全合乎理性的。
观察者一直都在量子力学中充当着必不可少的角色：无论是追求量子力学的主观解释或是客观解释，总少不了主体的在场（玻姆的隐变量理论除外，但隐变量理论否定了量子力学的完备性）。在冯·诺伊曼理论中，塌缩发生在观察者的意识当中，是观察者的意识引起了波函数塌缩，从而导致了物理－心理平行主义。在玻尔的实证主义的解释中，只有观察到的才是有意义的，从而也肯定了主体的核心地位：没有主体，就没有物理理论，外在实在本身没有意义。在埃弗雷特的相对态与后继的多世界解释中，确定的状态是相对于特定的主体而言的，而多心解释中是心灵发生了分裂，更少不了主体心灵的在场。魏格纳则一直坚持量子力学的主观解释，“倡导以意识为基础的测量理论，通过引入精神让它在物理世界中占据突出地位”（李宏芳，第55页），塌缩发生在主体的意识中。
退相干理论延续了对量子力学的客观解释追求，试图一扫正统解释中附加的塌缩假设，直接应用薛定谔方程来描述环境与系统－仪器的相互作用，用环境的相互作用选择优先指针基，用环境的相互作用选择稳定的可观察量，从而不需要主体的在场。“退相干的基本条件就是路径的完全信息以某种客观的物理形式被读走”（zeh,2003,p.10），对于可观察量的选择完全是动力学的行为、非主观的选择。基瑞克与他的合作者们在环境选择的基础上，进一步提出了量子达尔文主义，用环境的选择来替代冯·诺伊曼的非幺正演化：经典确定结果的产生得益于环境的相互作用选择，经典世界通过达尔文选择的过程产生自量子世界，从而将环境的选择作用推到了极致。
退相干理论突破了封闭系统的研究范式，在量子力学体系内部，通过引入环境与系统的相互作用，动力学地、客观地解释了从量子性质到经典性质的转变。退相干理论本身并不能最终解决量子测量问题，但能对充实与评判量子力学的不同解释起辅助作用，进而推动量子测量难题的解决。退相干理论仍在发展中，相信不远的未来它能够带给我们更多的东西。
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