"thermal gas ionized", "宏观物体的退相干与量子宇宙的经典约化 , 整个宇宙是处于一个量子纯态上，它描 述了宇宙各个部分之间的彼此关联，代表了完全精粒化的历史 (completely fine-grained histories)。然而，人们所关心和能够“看到”的是一种粗粒化的历史(very coarse-grained history)，它可以视为各种精粒化历史的等价类，对于这些等价类而 言，量子退相干就发生了。

"thermal gas ionized"

宏观物体的退相干与量子宇宙的经典约化 Decoherence of macroscopic object and the transition of quantized universe to classical 量子理论认为,微观物体具有完全不同于经典运动的量子行为。其典型特征是 所谓的波粒二象性(或称量子相干性)：物质运动既具有干涉和衍射的波动行为，又 可以用粒子特征(位置和动量)在一定的精度内加以描述。可以说波粒二象性是量子 物理学观念的核心。 然而，宏观物体是由大量满足薛定谔方程的微观粒子组成，但它们通常不具备 量子相干的特征。 也就是说，宏观物体通常不存在长时间的相干叠加。这个问题 可以归结为所谓“薛定谔猫佯谬”[1]： 为什么通常不存在死猫和活猫的相干叠加？ 20 世纪 50 年代，玻恩和爱因斯坦在通信中也深入地讨论了量子力学能否正确描述 宏观物体的自由运动的问题。20 世纪 80 年代以后，一些理论物理学家如深入研究 了这些问题。而最近人们已经开始通过实验(如巴黎高师的腔QED实验，美国国家 标准局的冷却离子实验和维也纳大学的C60实验[2] 理论上，可以用量子纠缠诱导量子退相干的观点，对薛定谔猫佯谬和宏观物体 的空间定域化问题给出可能的物理解答。定性地说，宏观物体所处环境的随机运动， 会与宏观物体耦纠缠起来。 环境的每个组元的作用， 相当对宏观物体集体自由度 进行量子测量，从而环境粒子能够记录宏观物体的“which-way” 信息。 随着组元 个数增多，与之相互作用的量子系统会出现所谓的波包坍缩或量子退相干，使得量 子相干叠加名存实亡。从这一角度，Wigner 及 Joos 和 Zeh 研究了环境粒子在一 些实际宏观物体上的散射，展示了宏观物体与散射粒子(真空光子，空气的原子分 子)量子纠缠产生的动力学。另一方面，依据 Omnes “内部环境”观念， 文献 [3] 发展了量子退相干的因子化理论。它认为，组成宏观物体的内部微观粒子的个体无 规运动，也会与宏观物体的集体自由度耦纠缠起来。因此，即使把宏观物体与其环 境完全隔离开，量子退相干也会发生。这一观点，有可能对量子宇宙的经典约化给 )，全面地检验这方面的各种观点 与结论。 宏观物体的退相干与量子宇宙的经典约化 ·635· 出合理的解释。 以上量子退相干导致量子系统趋向经典世界的论证，依赖于系统与外部系统的 相互作用。但对于整个宇宙而言，通常不存在外部的观察者(仪器)和环境，为什么 我们观察着的宇宙是经典的？量子宇宙到经典世界的约化是这样发生的？要回答 这个问题，其要点在于描述宇宙时，不能只关注宇宙的“集体自由度”，而忽略了它 内部的信息。这些相当于内部自由度的细节，虽然不改变宇宙“集体运动的状态， 但会与之纠缠起来，使之发生退相干。 Griffiths ，Omnes, Hartale和盖尔曼等人曾 深入地研究过这种“没有观察者”的量子宇宙退相干问题。他们借用了“退相干历史” 的(decoverence histories)概念[4]。其大意是: 整个宇宙是处于一个量子纯态上，它描 述了宇宙各个部分之间的彼此关联，代表了完全精粒化的历史 (completely fine-grained histories)。然而，人们所关心和能够“看到”的是一种粗粒化的历史(very coarse-grained history)，它可以视为各种精粒化历史的等价类，对于这些等价类而 言，量子退相干就发生了。 以上讨论启发我们思考更基本的问题：既然经典力学是量子力学的极限，量子 力学本身会不会是某种更精确理论的极限？以上关于经典力学是量子力学有效理 论的想法是相当直观的、但又十分深刻。 对复合系统的量子态通过某种“等价类” 粗粒化，损失信息， 给出到经典物理的约化。缘此，我们可以重写第二个问题的 提法：量子态是否是一种更深物质层次上状态的等价类，而量子力学恰如是某种更 深层次理论在这些等价类上，通过损失信息衍生(emerging)的有效理论？最近，著 名物理学家特·胡夫特(t’Hooft)从量子引力出发提出了这样一种理论[5]，其正确与否 有待于未来工作的考验。一个理论的正确与否必须能够通过实验加以检验. 目前, 特.胡夫特理论预言了量子信息的极限。就量子计算而言，它限定了可进行有效因 子化的最大数是 104000。 参 考 文 献 由于量子计算机尚未实际建造起来，在相当长的时间，人 们不可能对此进行检验。应当指出，特·胡夫特理论还是相当初步的，但它对量子 力学与引力结合的重要问题有深刻的启发意义。因此，通过高能尺度的量子退相干 理论的研究，有可能解决 20 世纪物理学这个悬而未决的问题，成为建立 21 世纪新 理论的开端。