第10章 退相干理论
10.1 环境的作用：系统与环境相互作用，量子相干性消失
还记得我们在上一章里留下的那个悬而未决的问题吗？多世界解释（MWI）告诉我们，宇宙每时每刻都在分裂成无数个平行世界，每一个可能的量子结果都在某个世界里真实地发生着。这听起来像是科幻小说里的情节，但它确实是从量子力学的数学方程里推导出来的——只要你不引入那个神秘的“波函数坍缩”。
可是，亲爱的读者，你一定会问：如果真的有这么多世界同时存在，为什么我从来没感觉到它们？为什么我打开盒子的时候，薛定谔的猫要么是活的，要么是死的，而不是既活又死？为什么火星总是沿着一条确定的轨道运行，而不是像电子那样同时出现在无数个位置？
这些问题曾经让物理学家们头疼不已。埃弗莱特在1957年提出多世界解释的时候，他其实已经给出了一个答案的雏形，但这个答案就像一颗未打磨的钻石，粗糙、暗淡，需要有人来把它抛光、切割，让它发出耀眼的光芒。
10.1.1 从两个质点人的世界说起
让我们暂时抛开那些复杂的数学公式，回到一个我们都很熟悉的比喻——那个由两个质点人生活的简单平面世界。
想象一下，有两位朋友，A和B。A生活在x轴上，B生活在y轴上。这两个轴互相垂直，就像教室里的黑板和地板的关系——它们之间没有任何共同的方向。对于A来说，他完全无法感知B的世界发生了什么。他只能沿着x轴来回走动，永远不知道y轴方向还有另一个世界。同样，B也无法感知A的存在。这两个世界就像两条永不相交的平行线——不对，它们比平行线更彻底，它们是正交的，彼此之间没有任何投影。
这时候，我们说这两个世界是正交的，不相干的。A和B注定要老死不相往来。
但是，x轴和y轴互相垂直是一个极其特殊的例子。在现实生活中，我们很少遇到这样完美的正交。想象你在一个二维平面上随便画两条直线，它们大概率不会互相垂直。它们之间会有某个夹角，比如30度、45度或者60度。这时候，B世界在A世界上就会有一个投影——虽然这个投影是扭曲的、不完整的，但它毕竟给了A一个窥视B世界的机会。
在量子力学的语言里，这种情况叫做“相干”。两个世界之间还保持着某种联系，它们还能互相“感觉到”对方的存在。就像两个好朋友虽然身处不同的城市，但还能通过电话、微信保持联系，分享彼此的生活。
现在，让我们把视野扩大到三维空间。在三维空间中，随便取两个平面作为“两个世界”，情况会怎样？它们大概率也不会互相垂直，总会有某个角度让它们之间产生投影。但随着维度的增加，情况开始变得有趣了。
10.1.2 高维空间的魔法
让我们做一个小小的思维实验。假设有一个非常高维的空间——比如说，1亿亿维空间。这个数字有多大？它比宇宙中所有沙子的总数还要大得多。在这样的空间里，如果我们随便画两条直线或者两个平面，会发生什么？
你猜对了——它们几乎是基本垂直的！
这听起来有点反直觉，但数学上确实如此。在高维空间中，任意两个随机选取的子空间，它们之间的夹角几乎总是接近90度。这是因为随着维度的增加，空间中的“方向”变得极其丰富，两个随机方向碰巧指向同一个方向的可能性小到可以忽略不计。
为了帮助你更直观地理解这个现象，我们不妨想象一个更简单的场景：假设你站在一个巨大的球体表面，随机选择一个方向行走。在二维球面上，你选择的“方向”可能和另一个随机方向形成任何夹角。但在一个高维球面上——比如1000维——大多数“方向”都集中在球面的“赤道”附近，而任意两个随机方向几乎总是互相垂直的。这就是数学家们所说的“高维空间的集中测度现象”：在高维空间中，大多数体积都集中在角落，大多数方向都互相垂直。
这个性质在数学上可以这样理解：假设你在一个100维的空间里随机选取一个向量，它的每个分量都是独立随机的（比如在-1到1之间均匀分布）。那么，这个向量的长度大约是√(100/3) ≈ 5.77。现在，你选取第二个完全独立的随机向量，它们的点积（也就是投影）大约是多少？因为每个分量的乘积是随机的，正负抵消，所以点积的期望值是0。而标准差大约是√(100/3) ≈ 5.77，和向量的长度差不多。这意味着，两个随机向量的夹角余弦值大约是0 ± 1，也就是说夹角大约在0度到180度之间均匀分布——等等，这听起来好像和“基本垂直”矛盾了？
别急，让我们仔细想想。在2维空间中，两个随机向量的夹角确实可以是任何值。但在高维空间中，情况不同了。想象一下，你在一个1亿维的空间里随机选取一个向量，这个向量几乎必然指向一个非常“特殊”的方向——因为空间中的大多数方向都是相互正交的。实际上，在高维空间中，两个随机向量几乎总是近似正交的。它们的点积的绝对值远远小于它们长度的乘积。
这个结论已经被数学严格证明，并且被广泛应用于机器学习、数据分析和量子物理中。你不需要记住具体的公式，只需要记住一个关键点：维度越高，随机方向越容易互相垂直。
好了，说了这么多数学，这和我们的量子世界有什么关系呢？关系大了去了！
10.1.3 微观与宏观的关键区别
现在，让我们回到双缝实验。还记得那个经典的实验吗？一个电子通过双缝，在后面的屏幕上形成干涉条纹。如果我们不去“偷看”电子到底走了哪条缝，它就像幽灵一样同时穿过两条缝，自己和自己干涉。
在多世界解释里，这个现象被解释为：有两个世界——“左世界”和“右世界”——同时存在。在左世界里，电子通过了左缝；在右世界里，电子通过了右缝。这两个世界是“相干”的，它们还能互相感觉到对方的存在，所以电子能够同时感受到两条缝的信息，产生干涉条纹。
但是请注意，这里所说的“左世界”和“右世界”，仅仅描述了单个电子的行为。它们不包含任何别的东西——没有仪器，没有观察者，没有空气分子，没有任何环境因素。换句话说，描述电子行为的“世界”是一个低维空间，涉及的变量相对较少。
现在，让我们引入一个测量仪器。当我们用仪器去观测电子到底通过了哪条缝时，事情就变得复杂了。一旦观测发生，我们就必须谈论“我们发现了电子在左”或者“我们发现了电子在右”这样的量子态。这个新的量子态描述的是电子、仪器和我们本身在内的总体状况——它涉及到了比单个电子多得多的变量。
想想看，光是“我们本身”就由多少个粒子组成？一个成年人身体里大约有7×10^27个原子。每个原子又有电子和原子核。再加上测量仪器里的无数粒子，还有周围环境中的空气分子、光子……所有这些都纠缠在一起，形成了一个极其复杂的系统。
这个系统的量子态所在的希尔伯特空间，维度高得令人发指。在这样的高维空间中，“知左世界”（我们感知到电子在左）和“知右世界”（我们感知到电子在右）这两个世界，戏剧性地变得基本正交了。它们之间几乎没有投影，彼此无法感觉到对方的存在。
这个过程，就是所谓的“退相干”。
10.1.4 退相干：量子世界的“社交隔离”
让我们用一个更生活化的比喻来理解退相干。不过，这次我们要小心选择比喻，确保它准确反映物理本质。
想象你是一个音乐家，正在一个安静的音乐厅里演奏小提琴。你的琴声清晰、纯净，每一个音符都能被听众清楚地听到。这就像量子系统的“相干”状态——系统内部的各种可能性之间保持着精确的相位关系，能够产生干涉。
现在，假设音乐厅里突然涌入了一千个听众，每个人都开始大声交谈、咳嗽、移动椅子。你的小提琴声被淹没在这些嘈杂的声音中，听众再也无法分辨出你的琴声。这就像量子系统与环境发生相互作用后，系统的量子相干性被“淹没”在环境的噪声中。
但这里有一个关键区别：在音乐厅的例子中，你的琴声实际上并没有消失——它只是被其他声音掩盖了。而在量子退相干中，相干性并不是被“掩盖”，而是被“泄露”到了环境中。系统的量子信息并没有消失，它只是扩散到了环境中的无数自由度中，变得无法被局部观测到。
这个过程可以用一个更精确的数学概念来描述：密度矩阵的对角化。
在量子力学中，一个系统的状态可以用密度矩阵来表示。对于一个纯的量子叠加态，密度矩阵的非对角元素不为零——这些非对角元素就代表了量子相干性。但当系统与环境发生相互作用后，密度矩阵的非对角元素会迅速衰减到零，只剩下对角元素。这时候，密度矩阵看起来就和经典概率分布一模一样了。
这个过程发生得有多快？快得令人难以置信。对于一个宏观物体来说，退相干的时间尺度可以短到10^-20秒甚至更短。也就是说，在不到一亿亿分之一秒的时间里，量子相干性就消失得无影无踪了。
这解释了为什么我们在日常生活中永远看不到宏观物体的量子叠加现象。为什么火星总是沿着一条确定的轨道运行，而不是同时出现在所有可能的位置上？因为火星太大了，它与环境的相互作用太强了，退相干在极短的时间内就把它的量子相干性抹掉了。
10.1.5 费米的问题
说到这里，我想起了一个有趣的故事。
1953年，年轻的穆雷·盖尔曼离开普林斯顿，到芝加哥大学担任讲师。那时候，芝加哥大学还笼罩在恩里科·费米的光辉之下。费米，这位1938年因为核物理理论拿到诺贝尔奖的巨匠，虽然已经功成名就，但仍然保持着宽厚随和的态度，愿意和所有人讨论科学问题。
费米对量子论一直抱着怀疑的态度。有一次，他问盖尔曼：“既然量子论是正确的，那么叠加性必然是一种普遍现象。可是，为什么火星有着一条确定的轨道，而不是从轨道上向外散开去呢？”
这个问题问得太好了！按照量子力学的标准说法，火星的波函数应该是所有可能轨道的叠加。但我们在现实中看到的，却是火星沿着一条非常确定的轨道运行。
当时的哥本哈根学派有一个现成的答案：因为有人在“观察”火星。每看一次，火星的波函数就坍缩了。但这个答案让费米和盖尔曼都觉得太无聊、太愚蠢了。他们相信，必定有一种更好的解释。
可惜，费米在1954年去世了，没有等到答案的到来。但盖尔曼没有放弃，他后来在加州理工继续追寻这个问题，最终和哈特尔等人一起发展了退相干历史理论，为这个问题提供了一个更令人满意的答案。
10.1.6 退相干理论的诞生
退相干理论并不是一夜之间冒出来的。它的发展经历了一个漫长的过程。
20世纪70年代，迪特尔·泽（Dieter Zeh）首先意识到，环境在量子测量中扮演着关键角色。他提出，当量子系统与环境发生相互作用时，系统的量子相干性会被“泄露”到环境中去，从而导致退相干。泽的想法在当时被认为是异端邪说，因为大多数物理学家仍然相信哥本哈根解释的“波函数坍缩”是唯一正确的答案。但泽坚持自己的观点，并在1970年发表了一篇论文，提出了退相干的基本概念。
随后，沃伊切赫·苏雷克（Wojciech H. Zurek）进一步发展了这个理论。苏雷克是波兰裔美国物理学家，他在20世纪80年代提出了“环境诱导的超选择”概念。这个概念的核心理念是：环境不仅会破坏量子相干性，还会“选择”出某些特定的量子态——比如位置本征态——作为我们观察到的经典态。换句话说，环境就像一位严厉的法官，它只允许某些“合法”的量子态存在，而其他量子态则会被“判刑”——退相干掉。
到了80年代，穆雷·盖尔曼和詹姆斯·哈特尔（James B. Hartle）将退相干理论与多世界解释结合起来，提出了“退相干历史”理论。他们声称：“世界只有一个，但历史有很多个！”这个理论试图解释，为什么我们观察到的宇宙历史看起来是确定的、连续的，而不是量子力学允许的所有可能历史的叠加。
这个理论后来得到了越来越多的支持。如今，退相干理论已经成为量子力学中一个被广泛接受的概念，大部分物理学家都认为它在解释从量子到经典的过渡中扮演着关键角色。2012年，塞尔日·阿罗什因为实验验证退相干现象而获得诺贝尔物理学奖，这标志着退相干理论从理论走向了实验验证。
10.1.7 退相干的数学之美
虽然我们说过要尽量避免复杂的数学，但退相干的数学之美，值得我们用一点时间来欣赏。不过，这次我们会用更直观的方式来解释。
想象一个简单的量子系统，比如一个自旋1/2的粒子。它的量子态可以写成：
|ψ⟩ = α|↑⟩ + β|↓⟩
其中|↑⟩和|↓⟩分别代表自旋向上和向下。这个态的密度矩阵是：
ρ = |ψ⟩⟨ψ| = |α|²|↑⟩⟨↑| + αβ*|↑⟩⟨↓| + α*β|↓⟩⟨↑| + |β|²|↓⟩⟨↓|
注意看，非对角元素αβ和αβ代表了量子相干性。如果α和β都不为零，这些非对角元素就不为零，系统就处于一个量子叠加态。
现在，让这个系统与环境发生相互作用。环境中有无数个自由度，它们与系统纠缠在一起。当我们对环境求迹（也就是把所有环境自由度加起来）后，系统的约化密度矩阵就变成了：
ρ_s = |α|²|↑⟩⟨↑| + |β|²|↓⟩⟨↓|
非对角元素消失了！这就是退相干。系统的量子叠加态变成了一个经典的混合态，看起来就像系统有|α|²的概率处于自旋向上，有|β|²的概率处于自旋向下。
这个过程是如此之快，以至于我们根本来不及观察量子叠加态的存在。对于宏观物体来说，退相干的时间尺度远远小于任何实际的测量时间。
10.1.8 退相干与多世界解释
退相干理论不是一种独立的量子力学解释，它更像是一个“补丁”，用来修补多世界解释的漏洞。
还记得多世界解释的核心观点吗？它认为，从开天辟地以来，在任何时刻，任何孤立系统的波函数都严格地按照薛定谔方程以U过程演化，不存在坍缩。宇宙的整体态矢量实际上是许许多多子矢量的叠加和，每一个子矢量都是在某个“子世界”中的投影。
但问题是：为什么我们只能感知到一个世界？为什么其他世界看起来像是“分裂”出去了？
退相干理论给出了答案：因为其他世界已经与环境发生了充分的纠缠，它们之间的相干性已经被环境“抹平”了。这些世界之间已经变得互相正交，无法再互相影响。
用我们之前的比喻来说：在低维空间中（只描述电子本身），左世界和右世界还能互相“感觉到”对方。但在高维空间中（描述了电子、仪器、观察者和环境），知左世界和知右世界已经变得正交了，它们之间没有任何投影。
所以，不是世界分裂了，而是世界之间的“联系”被环境切断了。每个世界都独立地演化，彼此不再相干。
10.1.9 退相干的实验验证
退相干理论不仅仅是一种数学构造，它还有实验的支撑。
1996年，一个由塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）领导的法国研究小组，进行了一个著名的退相干实验。他们用铷原子在微波腔中制造了一个量子叠加态，然后观察这个叠加态如何随着时间的推移而逐渐退相干。
实验的具体过程是这样的：研究人员首先将铷原子激发到高能级，然后让它们通过一个微波腔。在微波腔中，原子与腔内的光子发生相互作用，形成量子叠加态。然后，研究人员通过测量原子离开腔后的状态，来推断叠加态的相干性。
实验的结果与理论预测完全吻合：叠加态的相干性以指数形式衰减，衰减的时间尺度取决于系统与环境的耦合强度。这个实验后来被《自然》杂志评为“物理学十大经典实验”之一。阿罗什也因为这项工作，在2012年获得了诺贝尔物理学奖。
另一个有趣的实验是“量子擦除”实验。这个实验最初由马里兰大学的斯库利（Marlan Scully）和德鲁尔（Kai Drühl）在1982年提出，后来由多个研究小组完成。
在量子擦除实验中，研究人员先让量子系统与环境发生相互作用，导致退相干。然后，他们通过某种手段“擦除”环境中的信息，恢复系统的相干性。这个实验表明，退相干并不是不可逆的——至少在原则上是这样。只要环境中的信息没有被彻底丢失，我们就有可能“重新相干化”。
量子擦除实验的详细过程是这样的：考虑一个双缝实验，电子通过双缝后，我们可以在其中一条缝附近放置一个探测器，记录电子是否通过了那条缝。这个探测器就是“环境”，它记录了电子的路径信息。一旦探测器记录了信息，电子就会退相干，干涉条纹消失。
但是，如果我们后来“擦除”了探测器中的信息——比如通过某种量子操作将探测器重置到初始状态——那么电子的相干性就会恢复，干涉条纹重新出现。这个实验清楚地表明，退相干是由环境中的信息记录引起的，而不是由某种神秘的“波函数坍缩”引起的。
10.1.10 退相干的局限性
说了这么多退相干理论的优点，我们也应该客观地看看它的局限性。
退相干理论虽然解释了为什么我们看不到宏观物体的量子叠加，但它并没有解决量子力学中的“测量问题”。具体来说，退相干理论告诉我们，量子叠加态会变成经典的混合态，但它没有告诉我们，为什么我们最终只观察到一种结果，而不是同时观察到所有结果。
换句话说，退相干理论把“波函数坍缩”问题推到了更隐蔽的地方，但没有彻底消除它。在退相干之后，我们仍然需要某种机制来解释，为什么观察者只体验到一种结果，而不是所有结果的叠加。
这就是为什么一些物理学家（比如罗杰·彭罗斯）认为，退相干理论是不够的。他们主张，真正的波函数坍缩可能是一个物理过程，需要新的物理机制来解释。彭罗斯甚至提出了一个大胆的假说：波函数坍缩是由引力引起的。他认为，当量子叠加态的引力能量差达到某个阈值时，系统就会自发坍缩到其中一个分支。
但不管怎样，退相干理论已经成为理解量子到经典过渡的重要工具。它让我们看到了环境在量子力学中的关键作用，也为我们提供了从数学上描述这一过程的方法。
10.2 经典世界的出现：退相干导致经典概率，但测量问题仍未解决
10.2.1 从量子到经典的桥梁
如果说量子世界是一个充满神秘和不确定性的奇幻森林，那么经典世界就是我们每天生活的、熟悉的、可预测的日常世界。这两个世界之间的桥梁是什么？退相干理论给出了一个答案。
让我们用一个具体的例子来说明。
想象一个非常小的粒子，比如一个电子。它可以在空间中的任何位置，它的波函数像一团云一样弥散开来。当我们不去测量它的时候，它可以同时存在于所有地方——这是一种量子叠加态。
现在，让这个电子与一个宏观物体相互作用——比如说，一个篮球。篮球太大了，它由无数个原子组成。当电子与篮球碰撞时，篮球中无数个原子的运动状态都会发生变化。这些变化与电子的位置纠缠在一起。
现在，如果你想知道电子到底在哪里，你只需要“观察”篮球上那些原子的运动状态就行了。但问题在于，篮球有太多的原子了，你不可能同时跟踪所有原子的运动。当你忽略掉大部分原子（也就是对环境求迹）时，电子的量子叠加态就“退相干”了，变成了一个经典的混合态。
这就是为什么宏观物体（比如篮球）看起来总是有确定的位置，而不是同时出现在所有地方。因为宏观物体与环境（包括它自身的内部自由度）的相互作用太强了，退相干在极短的时间内就把它的量子相干性抹掉了。
10.2.2 经典概率的出现
退相干理论的一个关键结果是，它能够导出经典概率。
还记得我们之前提到的密度矩阵吗？在退相干之后，密度矩阵的非对角元素消失，只剩下对角元素。这些对角元素正好对应了经典概率——比如，系统有|α|²的概率处于状态A，有|β|²的概率处于状态B。
这看起来和哥本哈根解释的“波函数坍缩”很像。但有一个重要的区别：在哥本哈根解释中，波函数坍缩是一个非物理的、不可逆的过程，是由观察者的“意识”触发的。而在退相干理论中，从量子叠加到经典混合的转变，是一个物理的、可逆的过程（至少在原则上是可逆的），是由系统与环境的相互作用自然导致的。
换句话说，退相干理论告诉我们：经典世界不是由观察者“创造”的，而是由环境“选择”的。
10.2.3 退相干历史
现在，让我们把退相干理论再向前推进一步。如果我们把退相干理论应用到整个宇宙——不仅仅是单个量子系统，而是从宇宙诞生到现在的一切——会得到什么？
这就是“退相干历史”理论（简称DH解释）想要做的事情。
让我们用一个更精确的比喻来理解退相干历史理论。想象你是一位历史学家，正在研究一场足球比赛。比赛的结果是“胜”、“平”或“负”。这些结果就是“粗略历史”——它们描述了比赛的大致结果，但没有给出具体的比分。
但是，在“胜”这个粗略历史下，还包含了许多“精细历史”——比如1:0、2:1、3:0等等。这些精细历史描述了比赛的具体比分。
在退相干历史理论中，物理学家们定义了一系列的“粗略”历史。当这些历史符合所谓的“一致条件”时，它们就形成了一个互相之间退相干的历史族。
比如，对于一场足球比赛，“胜”、“平”、“负”就是一个合法的历史族。这三个历史之间是互相退相干的——也就是说，它们之间几乎没有联系，只有一个能够发生。
但是，在数学上，我们也可以定义另外的一些历史族，它们同样合法！比如，我们不一定关注胜负关系，而是考虑进球数。我们可以把比赛结果区分为“没有进球”、“进了一个球”、“进了两个球”和“进了两个以上的球”。从数学上看，这四种历史同样符合“一致条件”，构成了另一个完好的退相干历史族。
现在问题来了：当我们观测了一场比赛，所得到的结果取决于所选择的历史族。对于同一场比赛，我们可能观测到“胜”，但换一个角度，也可能观测到“进了两个球”。当然，它们之间并不矛盾。但如果我们仔细地考虑一下，在“现实中”真正发生了什么，这仍然让我们困惑。
当我们观测到“胜”的时候，我们假设在其属下所有的精细历史都在发生，比如1:0、2:1、2:0、3:0……所有的历史都发生了，只不过我们观测不到具体的精细结果，也对它们并不感兴趣。可对于同样一场比赛，我们也可能观测到“进了两个球”，这时候我们的假设其实是，所有进了两个球的历史都发生了，比如2:0、2:1、2:2、2:3……
现在，我们考虑某种特定的精细历史，比如1:0这样一个历史。虽然我们从来不会实际观测到这样一个历史，但这并不妨碍我们去问：1:0的历史究竟发生了没有？当观测结果是“胜”的时候，它显然发生了；而当观测结果是“进了两个球”的时候，它却显然没有发生！可是，我们描述的却是同一场比赛！
10.2.4 同族原则
退相干历史理论的辩护者说，任何理性的逻辑推理，都只能用在同一个退相干家族中，而不能跨家族使用。比如当我们在“胜、平、负”这样一族历史中得到了“1:0的精细历史发生了”这样一个结论后，我们绝不能把它带到另一族历史（比如“没进球、进1球、进2球、进2球以上”）中去，并与其相互比较。
他们把这总结成所谓的“同族原则”，并宣称这是量子论中最重要的原则。
这个原则听起来很有道理，但它也带来了一些问题。比如，在理论中实际上存在着种类繁多的“退相干族”，而我们在现实中观察到的却只有一个！
还是拿我们的足球比赛来说，我们在前面定义了一个退相干族，也就是“胜、平、负”。这一族中包含了三大种粗略历史，它们之间都互相退相干。这看上去一点都不错，但问题是，并不只有“胜、平、负”这样的分法是可能的，还有无穷种其他的分法，其中的大部分甚至是千奇百怪、不符合常识的。
比方说，我们从理论上定义三种历史：“又胜又平”、“又胜又负”、“又平又负”。这三种历史在数学上同样构成一个合法并且完好的退相干族：它们的概率可以经典相加，你无论观测到其中的哪一种，就无法再观测到另外的两种。但显然在实际中，一场比赛不可能“又胜又平”，那么DH就欠我们一个解释——它必须说明为什么在现实中的比赛是分成“胜、平、负”的，而不是“又胜又平”之类，虽然它们在数学上并没有太大的不同！
10.2.5 对退相干历史理论的质疑
退相干历史理论虽然看起来很漂亮，但它并不是没有争议的。
最猛烈的攻击来自GianCarlo Ghirardi——我们在上一章提到过的GRW理论的创立者之一。自从DH理论创立以来，这位意大利人和其同事至少在各类物理期刊上发表了五篇攻击退相干历史解释的论文。
Ghirardi敏锐地指出，DH解释并不比传统的哥本哈根解释好到哪里去！
为什么？因为DH解释虽然把观察者从理论中赶了出去，但它并没有真正解决“测量问题”。在DH解释中，我们仍然需要选择某个特定的退相干族来描述现实。而这个选择，看起来并不比哥本哈根解释中的“观察”更客观。
DH解释的本意是推翻教科书上的哥本哈根解释，把观测者从理论中赶出去，还物理世界以一个客观实在的解释。也就是说，所有的物理属性都是超越于你我的观察之外独立存在的，它不因为任何主观事物而改变。
但现在，DH解释似乎是哑巴吃黄连——有苦说不出。“1:0的历史究竟是否为真”这样一个物理描述，看来的确要取决于历史族的选择，而不是“客观存在”的！这似乎和玻尔他们是殊途同归：宇宙中没有纯粹的客观的物理属性，所有的属性都只能和具体的观察手段连起来讲！
10.2.6 退相干与意识问题
退相干理论虽然巧妙地解释了从量子到经典的过渡，但它并没有真正解决量子力学中的意识问题。
正如退相干理论的主要研究者之一，沃伊切赫·苏雷克所承认的那样：“这个问题（独特实在的看法）的彻底回答无疑将涉及‘意识’模型，因为我们真正要问的东西关系到我们（观察者）对任何其他替代物的‘我们是有意识的’印象。”
换句话说，退相干理论告诉我们，为什么我们看不到宏观物体的量子叠加，但它没有告诉我们，为什么我们只体验到一种结果，而不是所有结果的叠加。在退相干之后，我们仍然需要某种机制来解释“意识体验”的唯一性。
这就像你在看一场电影。退相干理论可以解释为什么电影的每一帧看起来都是清晰的，而不是模糊的叠加。但它不能解释为什么你只看到了这一帧，而不是同时看到所有帧。
一些物理学家认为，意识本身可能是一个量子过程，需要用量子力学来描述。而另一些物理学家则认为，意识问题可能永远无法用物理学来解决——它可能是一个哲学问题，而不是一个科学问题。
10.2.7 退相干理论的意义
尽管有这些局限性，退相干理论仍然是量子力学中最重要的进展之一。它的意义在于：
第一，它提供了一种从量子到经典的平滑过渡机制。不需要引入神秘的“波函数坍缩”，也不需要假设观察者的“意识”在创造现实。退相干是一个自然的、物理的过程，是系统与环境相互作用的必然结果。
第二，它解释了为什么宏观世界看起来是经典的。因为宏观物体与环境（包括它自身的内部自由度）的相互作用太强了，退相干在极短的时间内就把量子相干性抹掉了。
第三，它为量子力学的基础问题提供了一种新的视角。退相干理论告诉我们，环境在量子力学中扮演着关键角色，我们不能忽视环境的影响。
第四，它推动了量子信息科学的发展。退相干是量子计算面临的最大挑战之一——量子比特的相干性很容易被环境破坏，导致计算错误。理解退相干机制，有助于我们设计更好的量子计算机。
10.2.8 退相干与量子计算
说到量子计算，我们不得不提一下退相干在这个领域的重要性。
量子计算机之所以比经典计算机更强大，是因为它利用了量子叠加和量子纠缠。一个量子比特可以同时处于0和1的叠加态，而n个量子比特可以同时表示2^n个状态。这使得量子计算机在处理某些特定问题时，比经典计算机快得多。
但是，量子比特非常脆弱。它们很容易与周围环境发生相互作用，导致退相干。一旦退相干发生，量子叠加态就变成了经典混合态，量子计算机的优势也就消失了。
这就是为什么建造量子计算机如此困难的原因。我们需要找到一种方法，让量子比特与环境的相互作用尽可能弱，同时又能让它们之间进行必要的相互作用（比如量子门操作）。
目前，科学家们已经提出了多种方案来抑制退相干，比如使用超导电路、离子阱、拓扑量子比特等。但这些方案都还处于实验阶段，距离实用的量子计算机还有很长的路要走。
10.2.9 退相干的哲学意义
退相干理论不仅在物理学上有重要意义，在哲学上也引发了很多思考。
首先，它挑战了“客观实在”的概念。退相干理论告诉我们，我们观察到的“经典实在”并不是独立存在的，而是系统与环境相互作用的结果。不同的环境会导致不同的“经典实在”。这听起来有点像佛教的“缘起性空”——一切事物都是由因缘和合而生，没有独立的自性。
其次，它重新定义了“观察者”的角色。在哥本哈根解释中，观察者是一个特殊的角色，他/她的“意识”导致波函数坍缩。在退相干理论中，观察者不再特殊——他/她只是环境的一部分，与系统发生相互作用，导致退相干。这消除了观察者的神秘性，但也带来了一些新的问题：如果观察者只是环境的一部分，那么“意识”又是什么？
第三，它为我们理解“时间之矢”提供了新的视角。热力学第二定律告诉我们，孤立系统的熵总是增加的，时间有一个方向。退相干理论告诉我们，量子相干性总是从系统流向环境，这也是一种“时间之矢”。这两种时间之矢之间有什么联系？这是目前物理学研究的前沿问题之一。
10.2.10 退相干与多世界解释的关系
最后，让我们回到多世界解释，看看退相干理论如何与之结合。
在多世界解释中，宇宙的波函数按照薛定谔方程演化，分裂成无数个分支。每个分支对应一个可能的测量结果。这些分支同时存在，互不干扰。
退相干理论告诉我们，这些分支之所以互不干扰，是因为它们与环境发生了充分的相互作用，导致它们之间变得正交。换句话说，分支之间的“相干性”被环境抹掉了。
这就像一棵大树，主干不断分裂成越来越细的枝条。这些枝条虽然都是从同一棵树上长出来的，但它们彼此之间已经没有联系了——它们各自向着不同的方向生长，互不影响。
在这个比喻中，树干就是宇宙的初始波函数，而枝条就是退相干后的各个分支。每个枝条代表一个“世界”，在这些世界中，不同的量子结果发生了。
但是，这里有一个微妙的问题：如果所有的分支都同时存在，为什么我们只感知到其中一个？退相干理论可以解释为什么分支之间没有相互作用，但不能解释为什么我们的意识只“跟随”其中一个分支。
这个问题，目前还没有令人满意的答案。一些物理学家（比如大卫·多伊奇）认为，意识本身就是量子过程，它“跟随”着某个特定的分支。而另一些物理学家则认为，这个问题可能根本就是无意义的——就像问“为什么我存在于这个宇宙而不是那个宇宙”一样，没有答案。
10.2.11 小结
退相干理论是量子力学中一个非常重要的进展。它解释了为什么我们看不到宏观物体的量子叠加，为什么经典世界看起来是确定的、可预测的。
退相干理论告诉我们，环境在量子力学中扮演着关键角色。量子系统与环境发生相互作用时，系统的量子相干性会被“泄露”到环境中去，导致退相干。这个过程发生得如此之快，以至于在宏观世界中，我们永远看不到量子叠加现象。
退相干理论也推动了量子信息科学的发展。理解退相干机制，有助于我们设计更好的量子计算机，也有助于我们理解量子力学的基础问题。
但是，退相干理论并没有解决所有问题。它没有解释为什么我们只体验到一种结果，而不是所有结果的叠加。它也没有解释意识在量子力学中的角色。
这些问题，仍然留给了未来的物理学家和哲学家去探索。
不过，退相干理论至少让我们看到了一个希望：经典世界和量子世界并不是割裂的，它们之间有一条平滑的桥梁。这条桥梁就是环境。通过对环境的研究，我们或许能够更深入地理解量子世界的本质，以及我们为什么生活在一个看起来如此“经典”的世界里。
在下一章中，我们将继续探索量子力学的奇妙世界，看看量子计算和量子通信如何利用量子力学的特性，改变我们的未来。准备好了吗？让我们继续前进！