量子计算机的多世界解释

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　　1992年,J.Horgan在《科学美国人》上发表了一篇题为“量子革命”的文章,其中说道:“虽然多世界解释长期以来被当做更像是科学幻想而不是科学本身而受到了冷淡的对待,但新近Gell-Mann和他的合作者以一种改进了的形式而使这一解释复活了。他们称呼其理论为多历史解释,并且强调那些历史只是‘潜在’的,而不是在物理上实现了的。据说Gell-Mann曾预言道,到20世纪末时,这种观点将在这一领域内占据支配的地位。”
实际上,盖尔曼(M. Gell-Mann)早在1979年就说过:“[量子力学]的一种适当的哲学描述竟被推迟了这么久的这一事实,无疑是由于玻尔对整整一代物理学家洗了脑(brainwashed),使他们以为这一任务早在50年前已经完成了的缘故。” 显然,在盖尔曼看来,从总体说来,玻尔对于量子力学的正确解释,不是起到积极促进的而是起到消极阻碍的作用。
盖尔曼在1994年出版了一本题目为《夸克和美洲豹》的书,该书第11章“量子力学的当代观”,讲的就是他所参与建立的量子力学新解释。而这一章的最后一句话又是这样写的:“我们在努力建构量子力学的诠释的目的,是想终止玻尔所说的时代。玻尔曾经说:‘如果一个人说他可以思考量子物理学而不会感到迷惑,这不过说明他一点也不懂量子物理学。’”按照盖尔曼在这一章里的叙述,量子力学的这种新解释继承了费恩曼(R.P.Feynman)创立的路径积分方法里,运用空间-时间中的历史来表述量子力学的做法;亦发扬了在H.Everett Ⅲ提出的多世界解释里,物理世界有多种可能选择的思想。
在费恩曼的路径积分方法里,作用量为S的系统,从初态到末态的跃迁振幅,等于对从初态到末态的所有可能路径的、以 为相位的某种相位因子之和。一方面,这种求和或者积分是在整个空间-时间中进行的,所以无疑是一种空时描述。事实上,1948年,费恩曼为此正式发表的第一篇文章取名为“非相对论性量子力学的空间-时间方法”,就鲜明地表示了他的这种立场。另一方面,费恩曼亦证明了,从他的路径积分可以推导出薛定谔方程,所以这也肯定是一种因果联系。其实,从路径积分可以直接算出跃迁振幅,不仅可以用来代替薛定谔方程的功效,而且在有些情况下(例如规范场论或者量子引力理论),表现出它的适用性比后者更加普遍。
回顾玻尔1927年在著名的《科莫演讲》里第一次讲到“互补”这个字眼时的原话是:“量子理论的本性使我们不得不把空时标示(space-time coordination)和因果要求(claim of causality)这两种作为不同经典理论表征的联合,看作是描述的互补而又互斥的两个特征,它们分别代表着观察和定义的理想化。”
由此可见,费恩曼创立的“路径积分”,实际上已经从根本上否定了玻尔关于对微观对象不可能同时给出空时标示和因果描述的“互补原理”。要注意的是,一方面,路径积分里的空时标示,当然不是经典力学里的空时标示。费恩曼讲的路径,也不是经典力学里的质点轨道。因为,经典轨道是在空间-时间中划出的一条确定不疑的轨迹,它本身就是理论计算的结果;而费恩曼的路径则只是一些可能的途径,计算中要对它们的全体进行求和(积分),将所有部分振幅叠加起来,所得到的总振幅才是真正的结果。另一方面,路径积分里的因果描述,当然也不是经典力学里的因果描述。因为,后者对应的是为坐标或者动量等具体物理量而设的牛顿运动方程,而前者对应的则是与其完全不同的、为前所未闻的概率幅而设的薛定谔方程。总之,费恩曼的路径积分,实质上是一种历史性的描写。不过,它描写的不是系统经历的一种真实的历史,而是各种可能历史的振幅的叠加。
1957年,Everett Ⅲ提出“相对态表述”,后来称为“多世界(many world)解释”。在这种解释里,为了调和系统演化的连续性和测量过程的突然跳跃这两个方面的矛盾,认为在某一测量结果实现的同时,也实现了其他所有可能的测量结果。因为,在这一瞬间,同原来状态对应的一个世界,分裂成多个同被测量变量的各个本征态相对应的那么多世界,每一个世界对应着一个可能的测量结果。在这里没有波函数的坍缩,而只有世界的分裂。每一个世界都是同样真实的。我们之所以看到某一个测量结果,是因为我们正好生活在同这一观察结果相对应的世界里。在其他的世界,对应着其他的测量结果,只不过我们看不到就是了。
多世界解释免除了经典物理学的观察装置和系统外部的观察者的需要,以便于处理整个宇宙的量子状态。但那种原则上不可观察的许多个其余宇宙的存在,亦引起了激烈的争论。后来,按照盖尔曼的做法,把“多世界”改造成“多种宇宙可选择的历史”,“即一个给定的系统可以有不同的历史,每一种宇宙历史有它自己的概率;没有必要使人们心神不安地去接受都具有相同真实性的多个‘平行的宇宙’。”这样就继承了多世界解释的合理内容。
量子力学新解释的主要思想,是在20世纪80年代中期开始的几年之内,分别由几组作者从不同的角度提出来的。.其中最早是R.B. Griffiths在1984年提出的“一致性历史解释”。按照L.E.B- allentine的介绍,这种解释“推广了对一些个别的可能事件的概率公式,以产生出由在一些不同时刻发生的可能事件所组成的选定序列的条件概率。为了界定能够指派一个概率的一种‘一致性历史’,可能事件的序列必须满足某些条件;这些条件在这一方程式里是清楚地确定了的,但却难以从直觉上把握。态函数所起的作用,不如在其他一些解释里那么突出,而且没有‘坍缩’的物理过程。在概念上不必区分系统中被观察的和进行观察的不同部分。”
另外两组独立的作者是R.Qmnès以及盖尔曼和他的合作者J.Hartle。现在已经弄清楚,这几位作者提出的解释,尽管起初出发考虑的角度有差别,在基本精神上却是相同的,这一点也得到了他们自己的认同。例如,Omnès在1995年是这样说的:“目前在一些地方研究着量子力学的一种新近的解释;它有几种不同的名称:一致性历史解释,退相干历史解释或者逻辑解释,并且已经使得量子力学的解释成为一种标准的演绎性理论。这种新解释同哥本哈根解释不同的关键之处在于,如今经典物理学的事态在动力学和逻辑学的两个方面,都完全由量子原理推导出来……新的解释在认识论方面的结论,与哥本哈根解释的结论相距甚远……”
他还说:“如果将新的解释同哥本哈根解释做比较,那么两者有多少特点就有多少不同之处”,“新的解释是一种标准理论,它有一些确定的假设,能够由此出发推演出一些结果;这一过程是每个人都可以自行核对的。这种解释不依赖于一位创始人的言谈,不管他有多么伟大。因而,对量子力学的解释就成为科学的一部分,而不再是一种学究式的议论。”“新的解释尚未受到充分的重视,看来其首要原因是,同哥本哈根解释的空泛议论比较起来,它含有更多的数学表达式和技术性内容。”
按照Zurek的观点,盖尔曼等人提出的新解释,是在多世界解释的基础之上,加进了三种关键性的机制:一个量子系统有多组可选择的粗粒历史的概念;在选定的一组历史内的退相干效应;趋向经典极限的近似决定性。
粗粒历史(cqarse-grained history)的意思是，一个量子系统有许多自由度,它们的全部对应着一种精粒历史(fine-grained history)。我们在前面讲的退相干效应里所涉及到的一个或者少数个观察量,只占了系统的一小部分自由度。在退相干效应的理论模型里,要对精粒历史里面所有没有涉及到的自由度求和。于是,我们所能见到的就只是一种粗粒历史。所谓可选择的历史,就是多种不同历史都有各自的实现概率的意思。按照盖尔曼的说明,精粒历史之间的干涉一般不会消失,因此得不到相应的概率描写。而通过退相干机制,可以使得粗粒历史之间的干涉项消失。或者说,是随机发生的涨落使历史产生分岔。那么,一系列由于退相干效应而先后选择了的粗粒历史,就构成了系统的一组“退相干历史”。原则上别样的历史也有一定的发生的概率,但我们观察到的只是其中的一种。
大家知道,量子力学的哥本哈根解释的主要对立面,是主张量子力学的理论预言一般只是对多次重复的观察结果而言的统计解释或者叫做系综解释。盖尔曼认为,从新的观点看来,那种统计解释并没有错,但是它依赖于一位外部的观察者,所以其适用范围受到了限制,他建议把那种解释称为“被测系统的量子力学近似”。新的解释则能够描述整个宇宙的量子态,或者“多种宇宙可选择的历史”。
总之,按照这种新的解释,普天之下只有一部物理学,它就是统一地描述了宏观世界和微观世界的量子力学。量子力学的概念和定律是全部物理学的基础,由此可以导出经典物理学的概念和定律。在这里完全不需要使用什么普朗克常数ｈ→0或者能级量子数ｎ→∞的“极限”近似,起到关键作用的就是退相干效应。