量子到经典的涌现

导语 薛定谔的猫是一种神奇的量子叠加态，可以同时处于死和活的状态；而在熟悉的经典世界，物体总是有确定的状态。从量子到经典的转换是如何发生的？历史上有众多物理学家试图解答这个谜题，提出量子贝叶斯主义（QBism）、量子达尔文主义（Quantum Darwinism）等理论。而集智科学家、加州大学圣迭戈分校助理教授尤亦庄等人近日发表论文，用人工智能帮助揭示这个量子世界的奥秘。

研究领域：量子力学，量子经典转换，薛定谔的猫态，量子贝叶斯主义，量子达尔文主义，人工智能1. 量子vs经典经典物理理论所阐述的概念，几乎都可以借助日常体验来理解和想象，即使像弯曲时空这样的抽象概念，我们虽无法直接想象其样貌，但稍微借助低维类比就仍可以很容易地接受并运用。

然而量子理论对朴素直觉则非常不友好。

比如“叠加态”概念，就总是把人们的理解能力按在地上摩擦。

由此产生的论战中，还诞生了著名的物理学四大神兽之一——薛定谔的猫。

虽然赌徒和盲盒爱好者都很熟悉“各种可能性的并存”，但是这只小猫所处的量子叠加态，却是一种本质上完全不同的状态。

图1. 薛定谔的猫为了能比较直观地区别，我们需要用一个名为“相空间”（phase space）的背景空间来描画状态。

对三维空间某个由10个粒子组成的系统，我们用30个位置坐标和30个速度分量，就能描述系统的状态，那么这个60维的空间就是此物理系统的相空间。

如果这些粒子还有其他更多的属性用以区分状态，那么相空间的维数还会更大。

经典理论中，系统的每个具体状态都对应着相空间中的一点，演化过程对应着相空间中的一条线。

也就是说，系统中的每个粒子在每一时刻都具备确定的位置、速度以及其他属性。

与此截然不同的是，量子理论中量子态所对应的是相空间中的一个概率分布（精确地说应该是只满足归一不满足正定的“准概率分布”），而且由于“不确定性关系”的存在，一个量子态在相空间中所占的体积总是大于某个下限，根本就不能收缩为一点。

图2. 相空间的精确状态（左）与概率分布（右）如此说来，我们很容易把经典态与量子态想象成上图的样子，左边是相空间里的经典态，右边是量子态。

然而，仅靠这两张图就想展现量子态的神奇，未免太简陋且缺乏说服力，两图之间的区别也许只在于我们所掌握的信息是否完整。

如果我们面对的系统过于庞大复杂，那么只有全知全能洞悉一切的拉普拉斯妖才能恰当地找到相空间中所对应的精确一点。

对无法获知所有细节的肉眼凡胎来说，就不得不使用概率大致圈画出系统状态在相空间中的所处范围。

更何况经典世界中存在大量的混沌现象，原本几乎相同状态的系统能够随着演化变得大相径庭。

从这个意义上来说，相空间中的一团模糊烟雾有可能只是因信息获取能力不足所造成的“近视”罢了。

要想真正体现量子态的神奇特性，我们还得祭出那只可怜的小猫，并把它的状态放到相空间中。

可以想象，这必然是个维数非常大的相空间，而且其中有很多点都对应活猫态，也有很多点对应死猫态。

现在请读者猜一猜，薛定谔的猫会是下图中的哪个呢？图3如果坚信猫态只是经典概率的叠加，那么拉普拉斯妖眼中猫的状态应该是图a中的样子，缺乏足够信息的“近视眼”会把猫态描述成图b的摸样。

然而量子理论则断言，图c才是处于叠加态的小猫在相空间中真正的样子。

两团烟雾之间的那些条纹，体现的正是我们凭借经典图像直觉所无法理解的量子相干性，就像无法理解双缝干涉实验中的光子如何同时穿过两条窄缝一样。

这里甚至不是比喻的说法，处于叠加态的猫，理论上就是能产生干涉效应。

另外，通过对比三个示意图，我们也能够直观地感受到量子世界与经典世界的彻底不兼容。

而且二者之间存在不止一条鸿沟，而是两重差异。

一是量子系统的内禀随机性，大体可以从图a与图b的差异来感受。

可以理解为量子系统无法向我们提供足够清晰的状态信息，这与我们的探测技术手段和获取信息的“近视”程度无关，也不是混沌效应的结果，而是量子系统本身就根本不具备更细节的信息。

二是量子系统的相干性，基本相当于图b与c的区别。

由此产生的量子非定域性（nonlocality）和量子互文性（contextuality），导致量子世界具有非常神奇特殊的因果结构。

例如大名鼎鼎的“量子纠缠”等与朴素直觉和经典逻辑无法调和的那些量子现象，几乎全都来源于此。

2. 实在性的取舍量子力学诞生之初，许多物理学家还十分留恋传统的经典观念，并试图填平这两条鸿沟。

爱因斯坦那句 “不相信上帝会掷骰子”，就是这种观念最直接的注脚。

不过大量的实验铁证很快就逼迫着研究者们放弃了第一条防线，接受了玩弄骰子的上帝。

随着实验事实宣告贝尔不等式被打破，第二条防线也注定无法继续坚守，任何定域隐变量理论都注定无法完整描述量子系统的行为。

图4. 爱因斯坦：上帝不会掷骰子然而想放弃第二条防线，却要面临非常艰难的抉择。

定域性（locality）是指在任何参照系中，存在因果关系的两事件都必须满足因在前果在后。

隐变量则对应着实在性（reality），是指被测量的物理量其结果必然先于测量操作存在。

这两条似乎都是天经地义的铁律，然而贝尔实验的结果却偏偏展示出定域性与实在性是鱼与熊掌的关系，在我们所处的世界中不能同时成立。

可以想见，理解量子世界是何等艰深的挑战。

对量子世界的诠释，也成了近百年来物理学家们分歧最为严重的领域，没有之一。

除了哥本哈根学派那几乎算不上诠释的诠释，学界至少还有数十种大大小小的相关理论模型。

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