退相干：量子力学只在微观世界有效吗？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

前面几讲，我们说了各种量子力学里特有的现象。你可能也听过这样的说法，说量子力学是微观世界的物理规律。到了宏观世界以后，量子力学就不适用了。我们只能用经典物理来描述宏观世界，比如牛顿力学，广义相对论等等。

不仅外行人会这么说，就连有些科普书也会这么说。但我要告诉你，这种说法是错误的。

这一讲，我们就来回答这个问题，量子力学的适用范围到底有多大？学完这一讲，你会发现，量子力学不仅适用于微观世界，在宏观世界也同样适用。

1 宏观世界也能展现量子效应

注意，我得强调一下我说的适用是什么意思。这个适用不是说微观的逻辑到了宏观世界后，变成了另一个样子，你看不出来了。

比如说，汽车是由原子组成的。但你光看一辆汽车，能看出来它是由原子组成的吗？根本看不出来。如果量子力学也是这样的，那它确实被限制在了微观世界里。

我说的适用是说，微观和宏观的逻辑完全一致，宏观可以直接展现这个逻辑。比如，你小时候可能被邻居说，你的眼睛长得像爸爸，嘴巴长得像妈妈。我们现在知道，这是因为你遗传了爸爸妈妈的基因。

基因是分子层面的规律，但是它也可以在你的眼睛和嘴巴，这些宏观表现上显现出来。这才叫适用。

而量子力学的适用就是说，它在微观世界的那些表现，在宏观世界也能看到。别觉得这事不可能，我给你找到了这样的例子。

比如，宇宙中有一种天体，叫中子星，是由一种叫中子的粒子形成的恒星。它的直径通常有20千米，重量相当于地球的几十万倍。这够宏观了吧？我告诉你，中子星的核心有一种典型的量子现象，叫作超流。

正常情况下，你要是轻轻搅动一杯水，水过一会儿就会停下来。但是超流体会不停在杯子里打转，还会沿着杯子壁从杯子里跑出来。

在中子星的核心，中子也形成了一种超流体，可以没有摩擦地流动，还会形成旋涡，这种旋涡会无休无止地打转。

这个现象用经典理论可解释不了，只能用量子力学来解释。所以，超流体是一种量子现象，中子星核心就处于一种宏观的量子状态。

其实，宏观量子状态还有很多，它们在科学新闻里经常出现，只是名字都比较拗口，你乍一听听不出来。比如，超导、量子霍尔效应、拓扑绝缘体等等。国际单位制目前用来定义千克的那个装置，基布尔秤，里面也有宏观量子状态。

但问题来了，为什么我们总是觉得量子力学只能描述微观世界，而不能描述宏观世界呢？

2 退相干和波函数坍缩，让量子效应不容易在宏观世界展现

如果你经常看新闻的话，就会发现，我刚才说的宏观量子状态，都处于一种非常极端的环境中。

比如，地球上的宏观量子状态，通常都必须维持在绝对零度，也就是零下270多摄氏度附近。只要温度稍微高一点点，这种状态就立刻被破坏了。它们就像是一朵美丽的肥皂泡，你只能远远地看，不能伸手去摸，因为你一碰，它就消失了。

说到这儿你可能想起来一个词，对，就我们课程前面提到过的波函数坍缩。所有的量子状态都像肥皂泡一样，你不测量还好，一测量它就坍缩了，变成另外一个样子了。

所以，宏观量子态在宏观世界必须小心翼翼地保护起来，防止它的波函数坍缩，变成经典物理学的状态。

在量子力学诞生之初，物理学家就是这么解释的，很多科普书也是这么写的。但是我要告诉你，这种说法已经落伍了。

现在最新的说法是，在测量过程中，在波函数坍缩之前，量子状态还经历了另外一个过程，叫作退相干。退相干，指的就是一种叫作相干的性质退化了，看不出来了。这到底是什么意思呢？

听音乐的时候，在一段旋律中可能有很多乐器发声，但乐器再多，你也能听出来音乐有一个明确的节奏，比如42拍，或者44拍等等。

你只要能听出来节奏，音乐就有相干性。

但如果有100个人在跳广场舞，每个人都在放不一样的音乐，这些音乐的节拍都不一样，有42拍的，44拍的，86拍的各种节奏。可以想象，你肯定会觉得乱七八糟，完全是乱弹琴。

这个时候，你什么节奏也听不出来，广场上的音乐就没有相干性。

只听一段音乐有相干性，但是被很多音乐干扰以后，相干性就显现不出来了，这就叫退相干。

如果我们再用量子力学的术语来说一下，那就要回到波粒二象性。从波粒二象性的角度看，退相干，就是一种物质的波动特征看起来退化了，粒子特征显得突出了。

对物质来说，同时呈现波粒二象性，就是量子状态。粒子特征特别突出，波动特征很弱，就很像我们平时说的经典状态。

你可能会来挑战我一下，如果已经很像经典状态了，凭什么说这是相干性不明显呢？万一相干性就是消失了，没有相干性了呢？2003年，奥地利的一组科学家做了一个实验，刚好可以回答你这个问题。

在实验里，他们让具有70个碳原子的C70分子，像波一样产生了干涉条纹。在物理学中，一种物质只要能发生干涉现象，产生干涉条纹，就说它有相干性。

不过，实验要想成功，必须满足一个条件，就是C70所在的实验舱里，必须把空气抽走，变成真空状态。

为什么呢？他们发现，如果不抽成真空，C70分子就完全没法产生干涉条纹，只能留下一片杂乱的斑点。也就是说，如果有空气，C70分子的波动性就消失了，只留下了粒子性。

而且他们还发现，如果你朝真空室里一点点加入空气，那么干涉条纹就会越来越模糊，最后完全消失。这就说明，是空气让C70分子发生了退相干。

你看，如果你不把环境的因素消除，量子态上的许多信息，就会像一滴墨汁滴在大海里一样，迅速跑到环境中，仪器就检测不到相干性了，退相干就发生了。

所以，量子力学在宏观世界很少展现，不是因为没有相干性，而是相干性没有展现，我们看不出来。这恰恰也是量子力学的一种宏观效应。

3 怎样延长相干性的时间

知道了这一点，就好比医生给人看病时找到了病因，就好对症下药了。我们想要在宏观物体上看到量子效应，其实很简单，就是屏蔽干扰因素。

如果有空气干扰，那我就给你抽成真空。如果有热运动干扰，那我就给你冻起来。这招非常有效。什么超导、超流、量子霍尔效应，都是用这招实现的。

不过，这招不能用得太绝。因为你把环境弄得这么极端，这个宏观量子现象我们也就是看看，它什么都干不了。所以，想要让相干性帮我们做些什么，物理学家必须在操控和屏蔽上寻找平衡。

最常见的应用场景就是量子计算。它要计算，你总得让它加减乘除吧？这就得操控。

它又是量子的计算，总得保持量子状态吧？这就得屏蔽，防止退相干。

其实，量子计算到现在还没实现商用，一个重要的原因就是我们防止不了退相干，它们保持相干性的时间太短了。

那到底该怎么办呢？物理学家通过大胆的想象和小心的求证，想到了不少办法。我在这儿说一个还没实现的，但是跟咱们的课程最相关的办法。

比如，我们可以通过改进设计，让整个量子系统变得更加抗干扰。这就好比赤壁之战的时候，曹操的士兵怕晕船，就用铁链和木板把船都连起来，变成一个整体，这样就不怕外面的干扰了。

具体到量子计算里，就是不让一个粒子直接携带数据，而是让许多粒子发生大规模的量子纠缠，让它们用整体的量子状态来携带数据。整体的量子状态不怕一般的干扰，所以就不用把干扰因素屏蔽得太绝。

这方法有个专有名词，叫拓扑量子计算。拓扑这个词在数学上就代表物体的某种整体特征。

总之，在抑制退相干、平衡操控性的过程中，物理学家想尽了各种办法，那我们已经努力到了什么程度呢？

在一种叫超导量子计算的方案中，经过20年的发展，物理学家终于从1999年让一个量子保持相干性1纳秒，在2019年延长到了让53个量子坚持200秒。在数量和时长上，都有了飞跃。这个记录暂时由Google的Sycamore量子处理器保持。

你看，物理学家先是从理论上发现了退相干的效应，然后懂得如何在实验中观察它，这才能进一步想到了解决它、应用它的办法。爱因斯坦曾经说理论决定了你能观察到什么，就是这个意思。

 划重点

1. 原来量子力学在宏观世界也适用，宏观世界也可以存在量子状态。

2. 我们平常不太容易看到，是因为这些宏观量子状态很快会发生退相干。

3. 物理学家会通过控制环境的条件等各种办法，抑制退相干的影响，让它们尽可能长时间地保持量子状态。

现在，我可以回答我在第一讲提出的问题了。薛定谔的猫，为什么不可能同时处于既死又活的量子状态呢？

因为猫是有温度的，还需要呼吸空气，温度和空气都会导致它发生退相干，形成不了量子状态。物理学家推测，猫虽然不行，但是病毒或许可以形成量子状态。

最后留一个思考题。有人说，人的意识也是一种宏观量子现象。说这话的人还挺有名，是霍金的合作者，英国数学家彭罗斯。那你觉得这种说法有道理吗？留言说说你的思考。

既然量子力学在宏观世界也适用，那我就可以用它来研究宏观现象了。比如，力的本质是什么？我们下一讲讨论。

网友互动

我觉得宏观确实体现的是无数的原子在一起的整体统计行为，也就是说经典的理论实际是一种简化的统计结果理论。

作者

回复

量子力学中有个艾伦费斯特定理，它就很像是你说的，如果用统计学的视角观察某些量子系统，就可以从薛定谔方程，推导出一个很像牛顿第二定律的方程来。

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李老师好，您提到粒子特征特别突出，波动特征很弱，就类似经典状态。那是否存在波动特征明显，粒子特征很弱到世界呢？

作者

回复

存在啊。我们上网打电话用到的电磁波信号，就是波动性很突出，粒子性很弱啊。你有没有想过，WiFi信号为什么能穿墙，绕过障碍物？这就是波动性的一种体现。这些都叫做经典电磁现象。

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老师这个问题抛得很大，意识的本质目前也没定论，各种诠释都可以了解一下等待实证结果

行为由意识决定符合我们的日常经验，比如高考的时候一道选择题选A或B，导致上不同学校的结果。按照哥本哈根诠释，选A或者B（或者就叫测量）本来是叠加态的，选择之后结果就坍缩了。而冯诺依曼魏格纳诠释则对测量行为再进了一步，认为叠加态在意识产生的时候就坍缩了；如果按照多世界理论诠释叠加态一直存在没有坍缩，只是分支成了好几个平行世界，这样还会产生是否只存在多意识的问题。李老师倾向于哪种看法呢？

顺便，彭罗斯对意识的观点在他《皇帝新脑》的第九和第十章有所阐述。

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意识在大脑里产生，大脑也是有温度的，既然薛定谔的猫不能处于又死又活的量子叠加状态，那意识也不会是量子状态，也退相干了吧。

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我认为人的思维是处于量子态的

人大脑里的思维是混乱的，无序的，同时存在多种状态的。

当我们用语言文字表达时，它才会出现某种确定的状态。

当我思考的时候，根本不知道自己想要什么，当我和朋友交流或者写字的时候，一些话语就会自然的显现出来，经过不断的交流和书写，会发现  最后得到结论是远高于只思考的那个结论。

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人的意识不属于宏观量子状态。人只要出现意识，那就是个确定的状态。把意识容易想成宏观量子状态的陷阱在于，人的意识在流动，最终的意识结果不会是流动的那些"意识函数"，所以是薛定谔的猫。可是，意识的流动也"函数坍缩"的，比如最开始的意识可能是经过欲望确定的，下一个意识是现实调整的，再下一个意识会是家庭加权的如此下去会得出最后的意识结果，这个过程中的意识本身就是无数个结果组成的，意思就是只要一个人的性格基因家庭社会环境特定因素确定，他的意识就是几组方程式，而不是薛定谔的猫

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这节课我要记住的

1、一个比方。在安静的房间听一首歌，我能听到这首歌的节奏，这是相干性；但是让我在一个广场上听所有广场舞大妈们放的音乐，我啥都听不出来，这是退相干。

2、在波函数坍缩之前还有个退相干过程。

3、宏观世界也能展现量子效应，关键在于屏蔽干扰因素。

思考题

我是这么理解的，人作为个体肯定是有着他自己的意识，但是通过血缘、宗教、所在区域等等这些综合的因素，如同纽带一般，能推断出与他相近的人的意思能会是什么样的状态，也能模糊推断出有相反属性的人会是什么样的状态(比如信上帝与不信上帝)