微观量子世界与宏观现实的分界临界点该如何界定

物理学家花了一百多年,始终没能划出一条清晰的边界,区分量子力学和经典力学。翻看教科书,上面会写微观粒子遵循薛定谔方程,宏观物体适用牛顿定律,但课本不会说明微观和宏观到底该怎么划分。到底是单个原子算量子尺度,还是分子、上千个原子,亦或是一微克的物质?没有人能给出确定的数值。

这件事本身就很反常。量子力学用来描述电子时,精度能达到小数点后十几位,效果极好。可放到篮球这类物体上就完全失效,篮球不可能同时穿过两个篮筐。但电子和篮球之间并不是一刀切的断层,中间还有原子、分子、蛋白质、病毒、灰尘、水滴、棒球这一系列物质。我们该在哪个节点关闭量子效应,切换成经典力学?不存在一个天然的分界点。

科学

有人会说,分界线就是普朗克常数。这个常数数值极小,所以量子效应只会在极小尺度上凸显。这个说法没错,但它只能解释为什么宏观世界里很难观察到量子效应,没法说明量子效应会彻底消失。尺度小不等于不存在。如果量子力学适用于所有物体,那篮球同样具备波动性,理论上也可以同时处于两个位置的叠加状态。只是它对应的德布罗意波长微小到无法测量。无法观测和本身不存在,是两码事。篮球的量子叠加态在理论上成立,只是现实里永远没法验证。那它到底算不算存在?物理学家就此分成两个阵营。

其中一派认为量子力学具备普适性,宏观物体看不到量子现象,根源在于退相干。简单来说,量子系统没办法完全隔绝外界,总会和周边环境产生相互作用。每一次相互作用都会交换信息,不断打乱系统内部的量子相位。真空中的电子可以长时间维持叠加态,但空气中的尘埃颗粒,每秒会和数亿个气体分子发生碰撞。碰撞持续向外泄露位置信息,叠加态就很难维持下去。等到干涉项完全消失,系统看起来就变成经典状态。

退相干理论解决了不少疑问,解释了宏观物体为什么没有量子行为,也说明了测量为什么会造成波函数坍缩。可它没法回答更深层的问题:退相干之后出现的经典状态,究竟是如何从量子体系里产生的。退相干仅仅是把量子叠加转变成经典概率的混合,没法解释为什么我们只能观测到其中某一个结果。多世界诠释就此提出,所有可能的结果都会发生,只是分散在互不干涉的不同宇宙分支。哥本哈根诠释则认为,测量的瞬间波函数就会坍缩,坍缩是无法继续拆解的基础过程。这两种诠释在数学层面等价,但在哲学层面的争论持续了上百年。

还有一个棘手的问题,这条分界线并不是固定不变的,会随观测方式发生改变。一个光子,不去测量的时候表现为波,一旦进行测量就呈现粒子特性。这里说的测量不是人用眼睛看,而是任何形式的外部探测。测量行为本身会干扰系统,干扰程度决定我们看到的是量子还是经典行为。所以分界线不在物体本身,而在物体和观测者之间的相互作用。你用什么方式去探测它,它就展现对应的性质。同一个电子,用粗糙的探测器测量,就表现为粒子;用精密干涉仪观测,就呈现波的特点。

这就引出一个很难回答的问题:既然分界线取决于观测手段,那它还具备客观性吗?物理学家大多不愿意深入讨论这个话题,很容易滑进哲学范畴。但实验物理学家绕不开这个问题。他们在实验室里做的实验,本质就是不断测试量子力学的适用边界,用尺寸越来越大的分子做干涉实验,观察到多大规模之后干涉条纹会消失。目前实验已经用到包含两千多个原子的大分子,依旧能观测到量子干涉现象。两千个原子的分子体积不算小,比不少蛋白质分子还要大。这个实验证明量子力学生效的尺度,比大家之前预想的更大,分界线还要往宏观一侧推移。

可这条线到底在哪,依旧没人知道。一部分物理学家猜想存在客观的自发坍缩机制,达到特定质量或者尺度之后,波函数就会自动坍缩。彭罗斯提出过相关模型,认为引力会引发波函数坍缩。当物体尺寸大到一定程度,自身引力场会和量子叠加态产生冲突,继而触发坍缩。这个模型推算出来的分界点大约在十亿个原子的量级。现在的技术达不到这个观测尺度,没法验证这个猜想。还有一些模型把坍缩和宇宙学绑定,认为量子力学的边界和宇宙的年龄、尺度相关。这些模型的构想都很精巧,但是缺少实验证据支撑。

现在如果去问一名物理学家,量子世界和宏观世界的分界线在哪里,通常会得到三类回答。第一种来自退相干理论:不存在尖锐的分界线,只有一段模糊的过渡区域,过渡区域的宽度由系统和环境之间的耦合强度决定。第二种来自多世界诠释或者哥本哈根诠释:分界线就是测量行为,测量属于无法继续简化的操作,但测量本质到底是什么,至今没有定论。第三种来自实验结果:我们还在持续探索,已经排除了一部分猜想,但距离找到确定答案还差很远。

研究这个问题,并不是单纯为了找到一个具体数值。核心意义在于,一个世纪过去了,我们手里两套最基础的物理理论,依旧找不到自洽的衔接方式。量子力学和广义相对论各自领域内的计算精度都极高,但放到一起就会出现矛盾。量子和经典的分界问题,只是这个宏大难题里的一个分支。不搞懂量子引力,就没办法解释量子体系如何过渡到经典体系,而量子引力理论本身,还没有被建立起来。

所以也有一种可能性,这条分界线根本就不存在。经典世界或许只是量子世界的近似描述,就好比几何光学是波动光学的近似。设计眼镜的时候用几何光学就足够,但我们不会认为几何光学和波动光学之间存在一条明确分界线。二者只是同一套物理规律,在不同精度要求下的两种描述。量子力学和经典力学或许也是这样。宏观世界并不是独立于量子之外,只是量子力学在经典极限下的表现形式。经典极限对应的就是普朗克常数趋近于零。但真实世界里普朗克常数是固定的微小数值,不会变成零。也就是说经典极限永远只是近似,不是世界的真实面貌。整个世界本质上都是量子的。篮球同样拥有波函数,只是它的波函数太过复杂,既没办法完整写出来,演化过程也无法追踪。

这个观点听上去比较激进,但反而是最保守的猜想。它不需要引入任何新的物理规则,只需要承认量子力学在适用范围内是正确的。难点在于“适用范围”这个概念本身就很模糊。没有替代理论的时候,没法判断一套理论什么时候失效,什么时候成立。只能说,所有已经完成的实验里,量子力学都符合观测结果。至于未来会不会出现反例,没有人能确定。

说到底,量子经典边界问题,依旧是一个正在研究的科学问题,不是课本上已经解决好的知识点。物理学家对此达成的共识,简单来说就是:我们还不清楚。这份“不清楚”不是含糊其辞,而是客观诚实。你问粒子物理学家电子是否永远满足薛定谔方程,他会给出肯定答案;再问一块石头是不是同样遵循,理论上他也会回答是的;接着追问石头为什么不会同时出现在两个位置,他会归因于退相干;但当你继续问退相干之后到底发生了什么,他会短暂沉默,告诉你这个课题还在研究当中。

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