《西部世界》第三季第6集分集標題
寫這篇文章的原因，是因為美劇《西部世界》第三季第6集用“退相干”（Decoherence）這個量子力學概念做分集劇名，當時為了解釋這個劇名寫了一大堆，後來發現太長，就又重新簡單寫了一下，並說後面會詳細給大家解釋。現在我坐在電腦跟前很後悔，感覺給自己挖了一個坑，還是個深坑……
科幻作品超喜歡量子力學
量子力學一直以來都受到科幻題材影視作品的青睞，之所以備受青睞，源於量子力學自身與宏觀世界的“矛盾”以及其內核中散發出來的哲學意味，用我們常說的話來講，量子力學對於普通人來說更像是“玄學”。
薛定諤的貓
這些玄妙的理論，特別容易讓一部影視作品顯得高深莫測，編劇們大筆一揮——量子通信、量子計算機、量子糾纏、觀察者效應、薛定諤的貓就躍然紙上，然後看得觀眾一頭霧水還忙不迭地點頭稱是，沒辦法，咱文化水平不夠，這一大堆方程列出來，咱也不知道，咱也不敢問。
所以今天就不跟大家講太過深奧的內容（我也搞不懂），單純跟大家聊一聊經常出現在科幻作品中的幾個概念，等下次編劇們再裝高深的時候，咱們也能明白他們到底在忽悠啥。
什麼是量子（Quantum）
量子不是某一種粒子
雖然量子力學等高深莫測的概念經常出現在影視作品當中，但量子到底是個什麼東西，可能大家都不明白。估計很多朋友會覺得量子跟分子、原子、電子是一類東西，實際上
量子並不是粒子。在不牽扯太多高深理論的情況下解釋量子，比較直觀的說法是：量子是一個尺度，或者說是一個範圍。當我們所觀察的物質小到一定範圍之內的時候，它的物理性質就會與宏觀世界出現截然不同的變化，量子力學就為了研究這一現象而出現的。比如說我們所知的電子、光子，都屬於量子的範疇。
《蟻人2：黃蜂女現身》中的量子空間
這一點在漫威電影《蟻人2：黃蜂女現身》（Ant-Man and the Wasp）當中有著比較直觀的體現：蟻人通過皮姆粒子不斷縮小，當他縮小到一定程度的時候就來到了“量子空間”。
剛剛我們說過，當物質小到一定範圍之內，物理性質就會出現讓人意想不到的變化，那麼，都會有哪些變化呢？
光的波粒二象性
好玩兒的事情就來了：高中物理曾經提到過“光的波粒二象性”，也就是說光子既有波的特徵，也有粒子的特徵，是一個矛盾結合體，電子也是這樣。我們都知道，電子是構成物質的基礎之一，如果電子是波的話，那麼我們周圍的所有物質，包括你手裡正拿著的手機，甚至你這個人，都是波嗎？
顯然不是，不僅我們不是波，連組成我們的細胞、蛋白質還有再往小裡去的分子都不是波，它們也沒有表現出波的特徵，但偏偏到了電子的尺度就表現出波的特徵了。所以電子是量子的一種，分子不是，我們也不是。至於為何由量子組成的非量子不具備波的特徵，我們在後面解釋。
量子疊加態（想象圖）
量子們有什麼特殊的地方，讓它們值得被物理學家單獨拿出來研究呢？量子最讓人迷惑的，也是最“違反常識”的，就是在坍縮之前他們一直處於“疊加態”（superposition state）之中。
什麼是疊加態呢？
顧名思義，疊加態指的是一種狀態，處於這個狀態中的量子，存在著無數的可能性。打個比方：在你拿出手機來的時候，你有可能點開任何一篇文章，塌縮之後，你點開了這一篇。
薛定諤那隻既死又活的貓
如果說某一件事情處於疊加態中，這很好理解，但你要說一種物質處於疊加態中，那就有點兒“玄學”了。我們生活中最熟悉的“物質疊加態”，莫過於薛定諤那隻既死又活的貓。當然，薛定諤在現實中並沒有虐待那隻貓，這只是一個思想實驗，是為了打擊哥本哈根學派而提出來的。
玻爾（左）與愛因斯坦
疊加態這個觀點就是哥本哈根學派提出來的，這一嚴重違背常識的理論遭到了當時大多數科學家的反對，其中最著名的莫過於愛因斯坦和薛定諤。愛因斯坦和哥本哈根學派領軍人物尼爾斯·玻爾的論戰我們稍後再說，先聊一聊薛定諤。
盒子裡的貓不存在既死又活狀態
“薛定諤的貓”這一思想實驗就是為了證明疊加態的荒謬而提出來的。事實證明，宏觀世界中不會存在既死又活的貓，當然也
不存在任何處在模稜兩可狀態的物質。薛定諤琢磨出這個實驗的原因是“疊加態”是不可觀測的，任何觀察行為都會讓疊加態坍縮，也就是讓某一可能性成為現實。
人不可能同時出現在四個方向上
這就像是你站在十字路口中央對別人說，我能同時往四個方向走，但你不能看，你一看，我就只能走向其中一個方向了……按照我們正常的邏輯來說，這不就是在耍無賴麼，看一眼都不行？你別說，還真不行，別說你不行，薛定諤也不行！
《彗星來的那一夜》海報
關於疊加態，有一部科幻電影曾經有過非常有意思的解讀，這部電影就是《彗星來的那一夜》（Coherence），其實這部電影的英文標題就是疊加態，但不知道為什麼中文給出了這樣一個翻譯……
電影中提到的平行宇宙概念，其實就是疊加態的一種：人生有無限的可能，彗星的到來引起了坍縮，導致平行世界相互融合，最終造成了電影中的奇妙劇情。
觀察者效應（Observer effect）
《危機邊緣》海報
在描述疊加態的時候，我一直都在提一個重要的前置條件——
觀察。很多美劇也都曾經利用這一概念來大做文章，其中對“觀察”這一行為描述最詳盡也最恰當的，要算是美劇《危機邊緣》（Fringe），相信看過這部美劇的朋友都記得劇中有一堆光頭，被稱為觀察者（Observer）。
《危機邊緣》中的觀察者
觀察者的主要工作就是蹲在一邊兒悄咪咪的看著重要的歷史事件發生，還拿著小本本記錄下來，通過他們的
“觀察”和記錄，來保證重要歷史事件“坍縮”成為現實。是不是有一種非常唯心的感覺？難道我不看，歷史就不會發生了嗎？你別說，在微觀世界還真就是這樣，這一現象被稱為“觀察者效應”，觀察者效應被發現也是一件非常巧合的事情。說到這裡，我們就不得不提到一個大名鼎鼎的實驗——楊氏雙縫干涉。
楊氏雙縫干涉，可以看到明顯干涉條紋
這個實驗證明了上文中提到的“光的波粒二象性”：當一個光子對著兩條豎縫發射出去之後，會在屏幕上投射出干涉條紋，這是波的特徵。一個粒子是怎麼同時穿過兩條縫隙的呢？相信如果做實驗的是你，你也會有這種疑問。
於是實驗人員將楊氏雙縫干涉升級為“楊氏雙縫干涉2.0”：在兩條縫隙上面安裝了觀察裝置，想要搞清楚一個光子是如何穿過兩條縫隙的，然後奇妙的事情就來了：干涉條紋消失了！光子只通過了其中一條縫隙，不再具備波的特徵！
你能想象實驗人員有多吃驚嗎？光子竟然“害羞”了！光子只是一種粒子，它不具備思想，但是當出現觀察者的時候，它卻對觀察這一行為作出了反應！這一現象同時也證明了疊加態是客觀存在的——觀察之前，光子處於穿過兩條縫隙任何一條的可能性之中，觀察之後，穿過兩條縫隙可能性坍縮成穿過其中一條。
那麼，光子為什麼會“害羞”呢？最初的科學家們想破了腦袋，給出了一種看似合理的解釋：觀察這個行為對光子產生了干擾，造成了其坍縮。看上去這個解釋很合理，因為人類感受世界的手段無外乎：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及味覺，想要明確知道光子的路徑，就需要使用視覺，觀察裝置最終也要轉化成光信號才能被人感知，光信號自然也與光子有關係，所以最終的結果就是因為光信號的干擾導致光子路徑產生了變化，事實上是這樣嗎？
最下方是量子擦除實驗
並不是，因為科學家們又做了一個“楊氏雙縫干涉3.0”，也就是著名的“量子擦除實驗”：仍然保留觀察裝置，但是不輸出觀察結果，結果乾涉條紋再次出現了！有沒有一種恐怖的感覺？好像無形之中有一雙眼睛在觀察著實驗人員，在知道不會輸出結果之後，干涉條紋再次出現 ！那麼，到底是什麼造成了這一現象呢？
概率！所謂概率，指的就是一件事情發生的可能性，光子在被髮射出來之後，光子在一定範圍空間內存在的概率是相等的，觀察這一行為則對概率進行了重新排布（比如增加了出現在左邊縫隙的概率，相應的出現在右邊縫隙的概率就降低了）。
打個比方：你向著球門把腳下的足球踢了出去，在你踢到球之前，這個球可能出現在你前方的任何位置（當然，太遠了也不現實），然後根據你踢的位置、力度、風速、草皮摩擦力等等，足球落地位置的概率逐漸變化，最終坍縮到它落地的位置。觀察行為就起到了力度、風速等的作用。
《危機邊緣》中觀察者的記錄
所以我們可以看出來《危機邊緣》的編劇還是具備基本科學素養的，在他們筆下的觀察者並不是一味的觀察，還伴隨著記錄這個行為，這就等於把重要歷史事件發生的概率變成了100%。
與《彗星來的那一夜》一樣，《危機邊緣》中也有“平行世界”概念，其實也是從“概率”這個概念上引申出來的。關於平行世界這個概念，也可以單獨寫一篇文章，等我回頭再寫（又給自己挖了個坑……）。
說到這裡，大家是不是覺得“疊加態”這個概念很不可思議？這個理論放到宏觀世界中的來說的話，是不是我沒有看到的東西就是不存在的，我不知道的事情就是沒有發生過的？
打個比方的話就是在你看到這篇文章之前，這篇文章是不存在的（我的頸椎和腰椎表示嚴重反對），在你看到這篇文章之後，它才“坍縮”成為真實的存在。換句話說，這一理論好像顛倒了我們正常認知中的因果律：因為你看到了這篇文章，所以我才寫了這篇文章。這種理論是不是有些太“玄學”、太唯心了？
放心，哥本哈根學派在薛定諤拿出那隻貓之後就給出瞭解釋：雖然宏觀世界是由微觀粒子組成的，但微觀粒子之間因為量子糾纏導致退相干，所以宏觀世界不會呈現出疊加態。
量子糾纏（Quantum entanglement）
量子計算機
重頭戲來了，薛定諤和愛因斯坦都曾經質疑過量子糾纏理論，但可能連他們自己都沒想到的是，時至今日引領尖端科技的量子計算機、量子通信技術，都離不開量子糾纏理論。
在解釋量子糾纏之前，我們要先來了解一個概念——相干性（Coherence）。我們可以從字面意思直接理解相干性，所謂相干性，指的就是相互干涉的特性。在微觀世界當中，量子會體現出相干性，也就是說量子具備波的特徵（可以相互干涉）。
所有物質都是由微觀粒子構成
然後問題就又繞了回來，微觀粒子具備波的特性，為何宏觀物質卻沒有體現出這一特性呢？我們首先來明確一點：物質世界是由無數微觀粒子組成的，在人類眼中兩種不同的物質，在微觀世界中是一樣的，都是由微觀粒子組成。
我們以薛定諤的貓來舉例，如果現實中真的可以做這個實驗，那麼那隻貓必須是活的，我們就要保證盒子裡面有空氣，貓在呼吸的過程中就與環境產生了交互，組成空氣的“量子”與組成貓的“量子”糾纏到了一起。同時盒子裡的空氣還會與盒子交互，也糾纏在了一起。
人在外界觀察盒子，盒子的狀態是確定的，因盒子與空氣糾纏，所以空氣是確定的，空氣又與貓糾纏，相干性消失，貓就變成了純物質形態，不再具備波動性，也就不會處於“既死又活”的疊加態當中，這就是退相干。
量子糾纏的一種
這裡的“糾纏”是量子表現出來的一種特性：兩個（至少）耦合之後的微觀粒子，在你觀察A粒子的狀態時，B粒子必然會呈現相反的狀態。以電子舉例，電子有上旋和下旋兩種自旋方式，我們將兩個電子
耦合，然後觀察A電子發現它是上旋狀態，那麼B電子必然是下旋狀態。舉個例子：耦合之後的粒子就像是坐在了蹺蹺板上，當一個粒子向上移動的時候，另一個粒子必然向下移動。這就像是你在路上遇到一個人（耦合），當你在路口向左拐的時候，他必然向右拐。但是問題來了，電子沒有意識，它們也不可能提前商量好，這種糾纏狀態簡直比疊加態還要“玄學”。
愛因斯坦
於是愛因斯坦緊跟著用ERP佯謬向他們發起了第二輪攻擊，所謂佯謬就是悖論：假設量子糾纏存在，那麼當耦合之後的兩個粒子距離足夠遠的時候，你觀察A粒子，如果B粒子呈現相反狀態的話，就會出現“超距傳播”——B粒子“得知”A粒子狀態並作出“反應”的速度會超過光速。但相對論證明，光速無法超越，於是量子糾纏就陷入了悖論當中。
當大家紛紛佩服愛因斯坦的聰明才智，認為他終結了一場“世紀辯論”時，科學家們並沒有停下探索的腳步，終於在2015年一場實驗不僅證明了量子糾纏，還證明了量子糾纏所產生的信息傳遞速度確實可以超過光速！好了，這下徹底玄學了……
德洛莉絲帶出來的意識球
美劇《西部世界》第三季第6集用它的劇情，給大家上了一堂科普課：從西部世界園區帶出來的德洛莉絲的意識球之間存在相干性，她們之間會相互干涉相互作用。但當她們來到現實世界時候，每個意識都會與更多的人產生交集。
夏洛特“退相干”
這種交集就可以理解為量子糾纏，隨著糾纏的日益加深，某些意識就會產生出脫離這個群體的想法，退相干因此產生。當然，這只是一種粗淺的解釋，但也正是因為這種科普精神，讓這部美劇變得更加迷人。
比較直觀的量子糾纏解釋
關於量子糾纏到底為什麼會產生目前眾說紛紜，目前普遍能夠被接受的一種理論是：糾纏態的粒子之間從高維空間看其實是一個整體，高維空間不受距離的限制，也就是說粒子之間存在一個“高維蹺蹺板”。當然，到現在為止科學家們還沒有給出一個“科學的解釋”。
但這並不能阻止量子糾纏在其他領域的應用，比如說利用疊加態理論的量子計算機，理論上量子計算機的並行處理能力是現在計算機的數倍；利用量子糾纏理論的量子通信，超過光速的信息傳播速度想想都讓人覺得振奮。
墨子號量子通信實驗衛星
2018年，我國發射了全世界第一顆量子通訊衛星——墨子號，在量子通信研究領域我們現在是走在世界前列的，說是全球第一也不為過。不過需要說明的是，墨子號所涉及的並非“超距傳播”，而是綜合量子糾纏以及觀察者效應而產生的量子加密手段進行信息傳播，這種手段被譽為絕對安全，無法被破解也無法被竊聽。
如果大家看完這篇文章覺得還不錯，同時也對量子計算機的原理和量子通信原理感興趣的話，我會考慮再寫一篇相關文章（又挖了一個坑……），今天這篇文章就到這裡了，如果您真的看完了這篇文章，在這裡謝謝您的耐心，感謝。
（完）
