作者：楊一鳴

　　達爾文、愛因斯坦，如果將這兩人的智慧碰撞在一起，會得到什么？

　　一種名為“量子達爾文主義”的理論可以視為這樣的一個成果。

　　這個理論由波蘭裔美國物理學家沃伊切赫·祖瑞克（ Wojciech Zurek ）教授提出。祖瑞克教授在上個世紀 90 年代開始研究量子力學，基于“環(huán)境退相關(guān)（Environmental Decoherence）”等理論，他首次提出量子達爾文主義，旨在統(tǒng)一微觀世界的量子理論和宏觀世界的經(jīng)典物理理論之間的矛盾（這些矛盾經(jīng)過長足的討論甚至已經(jīng)跨越到哲學領(lǐng)域），并相繼在 PRL 和Nature Physics頂級物理學期刊上發(fā)文，向世人展示這一神奇的理論。

來源：Nature Physics

　　簡而言之，“量子達爾文主義”認為，我們熟知的經(jīng)典物理學中物體的定態(tài)性質(zhì)之所以有著“確定”的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被“選擇”出來的，就像自然選擇一樣。

　　盡管理論形成已久，但量子達爾文主義直到最近一年才得到實驗驗證，來自中國、意大利和德國的研究小組分別獨立地完成了自己的驗證。其中一個驗證試驗由中國科學家潘建偉所帶領(lǐng)的團隊完成。

　　隨著這些驗證的實現(xiàn)，統(tǒng)一微觀和宏觀的新的可能性正在人類文明面前徐徐展開。

來源：Quanta

　　一、“分裂”和“突變”的微觀世界和宏觀世界

　　說起量子物理，我們通常會聯(lián)系到“玄學”，很大程度上是因為人們的日常生活并不能感受到量子力學的存在。在 20 世紀之前，以牛頓力學為代表的經(jīng)典物理學原理統(tǒng)治著人們對于物理世界的理解，人們相信任何事物在確切的時間就要有確切的位置。

　　直到馬克思·普朗克（Max Planck）、阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）、沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg）等量子力學先驅(qū)相繼建立量子力學的基礎(chǔ)，開啟了量子力學這一神奇的領(lǐng)域。

　　他們通過一系列存在于原子和亞原子尺寸的神奇現(xiàn)象，宣告經(jīng)典物理在微觀世界的失效，并推演出許多量子力學的經(jīng)典理論。

　　可以說，概率、不確定以及狀態(tài)疊加是量子力學的主題。例如，無法給電子（或其他微小粒子）定義一個確定的位置，只有可能確定電子有多少概率出現(xiàn)在一系列地方，所以我們用“電子云”定義原子核外電子的位置。

電子云模型（來源：互聯(lián)網(wǎng)）

　　一句話概括，統(tǒng)治微觀世界的量子物理，遵循“不確定性”原理，解釋宏觀世界的經(jīng)典物理學，追求的卻是“確定性”。

　　兩者的相悖，帶來了一個終極拷問似的命題：現(xiàn)實世界是由一個一個原子組成的，遵循的是經(jīng)典物理學的原理，而在原子層面上考慮，遵循的是量子力學，二者是如何統(tǒng)一在一起的？又或者說，原子尺寸下的量子力學如何集中體現(xiàn)出經(jīng)典物理學的原理的？

　　物理學家將這樣的突變稱為“量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)換”。但事實上，不同尺度大小的世界會遵循不一樣的基本原理，抑或這兩者之間本不應(yīng)該存在如此劇烈的突變過渡，都還一直是理論上的各執(zhí)一詞。

　　二、達爾文的理論怎么跑到量子領(lǐng)域了？

　　在過去的好幾十年里，科學家不斷地在嘗試解釋，量子力學如何通過粒子或其它微觀系統(tǒng)與其周圍環(huán)境的相互作用而不可避免地演化成經(jīng)典力學的，并取得了很多了不起的理論成就。

　　最經(jīng)典的解釋就是“哥本哈根解釋（Copenhagen Interpretation）”，此理論集合了幾位物理學家的觀點，其主要的焦點就是“波函數(shù)坍塌”。其中，哥本哈根解釋認為波函數(shù)是代表量子領(lǐng)域下事物的發(fā)展狀態(tài)，它以概率的形式呈現(xiàn)，就像撒貝寧在“吐槽大會”中說的快遞中的電子產(chǎn)品，其狀態(tài)就是一個波函數(shù)，有百分之五十的可能是好的，百分之五十是壞的，整個狀態(tài)就是“百分之五十是好的，百分之五十是壞的”的狀態(tài)疊加。

　　想要知道快遞中的電子產(chǎn)品是好還是壞，需要打開這個盒子查看，當我們查看的時候，電子產(chǎn)品的狀態(tài)才會從兩個可能性——好或壞——變成確定的狀態(tài)，這也就是波函數(shù)的坍塌。

　　歷史上，還有一個著名的思想實驗“薛定諤的貓”，說的是同一個原理。

　　通過這兩個例子，我們不難看出，在量子力學中的量子系統(tǒng)，一般無法用一個確定的狀態(tài)描述它們，只能用多種可能狀態(tài)及其分別的可能性一起來描述它們。此外，想要確切地確定系統(tǒng)的狀態(tài)必須要進行測量，而測量本身可能就會對結(jié)果產(chǎn)生影響，而造成“波函數(shù)坍塌”。其實，“波函數(shù)坍塌”這一理論還解釋了量子力學的不確定和宏觀物理的確定性之間的聯(lián)系。

　　在此，我們再回憶一下這個聯(lián)系是怎樣建立的：以快遞為案例，它是通過拆快遞并查看建立的吧。在“哥本哈根解釋”中，這稱為經(jīng)典儀器的測量，而這種測量會對系統(tǒng)的不確定度產(chǎn)生影響。

　　隨之而來的問題是，為什么儀器測量時，系統(tǒng)波函數(shù)會坍縮，又是以怎樣的規(guī)律坍縮的？

　　又有很多物理學家嘗試解釋這樣的現(xiàn)象，其中最有代表性的理論就是量子達爾文主義。

　　正如文章開頭所言，“量子達爾文主義”認為，宏觀世界、經(jīng)典物理學中物體有“確定”的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被“選擇”出來的，就像自然選擇一樣。

　　這些被選擇出來的性質(zhì)，在某種意義上來說是最合適的。正如自然選擇中，被選擇的物種能夠最大程度地“復制”自己，那么被選擇的性質(zhì)也是如此。存在于或者說適用于經(jīng)典物理學的性質(zhì)和原理，應(yīng)該是無窮多個獨立的觀察者觀察量子系統(tǒng)都能夠得到的。

　　其次，根據(jù)達爾文的進化論和自然選擇學說，物種的進化或者是特點是和其環(huán)境息息相關(guān)的，存在的物種一定是適合環(huán)境的。

　　也就是說，我們可以通過環(huán)境獲悉物種的相關(guān)信息，例如沙漠中的生物一定很耐旱，冰原上的生物一定都很扛凍等。那么映射到量子達爾文主義中，環(huán)境也充當了十分重要的角色，祖瑞克認為，環(huán)境之于量子系統(tǒng)和觀察者之間相當于信息的通道，量子系統(tǒng)的各個狀態(tài)的疊加會通過這樣的信息通道傳遞給觀察者，而環(huán)境的特點就決定了哪些信息會被傳遞到觀察者，傳遞得最多次的信息就成為了我們經(jīng)典世界中的物理規(guī)律，而這也就是量子狀態(tài)到宏觀經(jīng)典物理的轉(zhuǎn)變。

　　三、三組團隊獨立實驗，首次揭開神秘面紗

　　那么，這種聽上去神乎其神的理論，究竟意味著什么？

　　最近的一年內(nèi)，量子達爾文主義迎來了首批實驗驗證，來自中國、意大利和德國的研究小組分別獨立地完成了自己的驗證，幫助我們一探究竟。從上面的介紹我們已經(jīng)知道，環(huán)境對于量子系統(tǒng)顯現(xiàn)出來的性質(zhì)是有影響的，而能被我們觀測的經(jīng)典物理性質(zhì)就應(yīng)該是觀察過程中重復性最高的信息。

　　因此，三個團隊的目標很一致，都是為了尋找量子系統(tǒng)中能夠被重復觀測的信息，類似于尋找自然選擇中存在最多的物種，并以此驗證量子達爾文主義。

　　這是科學家在實驗驗證量子達爾文主義上踏出的第一步，但是可能是最重要的一步，因為，他們認為量子達爾文主義可能就是正確的方向，能夠解釋我們堅固的現(xiàn)實是怎樣從量子力學領(lǐng)域提供的眾多選項中凝聚起來的。

來源：陸朝陽/Quanta

　　其中，中國的團隊由中國科技大學潘建偉教授和陸朝陽教授領(lǐng)銜，他們和意大利的研究團隊不謀而合。技術(shù)實現(xiàn)上，采用的都是固態(tài)激光器發(fā)射一個單光子形成簡單的量子系統(tǒng)，并用其他光子構(gòu)成量子系統(tǒng)的環(huán)境，通過獲取環(huán)境的信息來進行實驗驗證。實驗的細節(jié)和相關(guān)理論推演以論文的形式發(fā)表在了 Science Bulletin 上。

　　實驗中，他們先將單光子量子系統(tǒng)和環(huán)境光子通過光學器件耦合在一起，然后對環(huán)境光子進行檢測，來查看有哪些有關(guān)單光子量子系統(tǒng)的信息，具體而言在此例中，他們檢測的是光子的極化（其電磁場的振動方向）。

　　根據(jù) Quanta 的報道，潘建偉解釋道，實驗中任何細小的環(huán)境擾動都能夠?qū)τ^察的系統(tǒng)造成巨大的影響，提供能觀測到的經(jīng)典物理學信息。而實驗結(jié)果正如他所說，僅僅檢測一個充當環(huán)境的光子就能獲得相當多的關(guān)于單光子系統(tǒng)極化的信息，而檢測多個光子的信息之后，獲得的信息也大致相同，這與量子達爾文主義的闡述相符合。

德國烏爾姆大學物理學家費多·杰列茲科教授 （來源：Ulm Universit/Quanta）

　　來自德國烏爾姆大學的研究小組采用的是另一種實驗設(shè)置。值得一提的是，該小組由光量子物理學家費多·杰列茲科（Fedor Jelezko）教授領(lǐng)銜。在研究過程中，杰列茲科和量子達爾文主義的提出者祖瑞克有很緊密的聯(lián)系。

　　在這個團隊的實驗過程中，他們采取的也是“量子系統(tǒng)+環(huán)境監(jiān)測”的結(jié)構(gòu)。首先杰列茲科團隊通過將鉆石中一個碳原子替換成氮原子，組成量子系統(tǒng)。具體而言，由于氮原子比碳原子要多一個電子，在氮原子和碳原子成鍵之后，多出來的這個電子就不能在鉆石晶格中成鍵，它成為了“孤獨”的個體，擁有著自旋的自由度，頭朝上或朝下。這就構(gòu)成了一個典型的量子系統(tǒng)，因為它的狀態(tài)是不確定的，是兩種狀態(tài)可能性的疊加。

　　然而，這個孤獨電子的自旋狀態(tài)，能夠以磁的形式和該鉆石晶格中大約 0.3% 的碳原子核發(fā)生交互。其實，這 0.3% 的碳原子核就是“碳 13”，碳的同位素之一，區(qū)別于常見的“碳 12”，“碳 13”的自然含量要小得多，大約就是 0.3%，而其原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)也略有不同，它比“碳 12”多一個中子。杰列茲科指出，大約每個“孤獨電子”都會和附近的 4 個“碳 13”原子核耦合在一起，距離大約在 1 納米之內(nèi)。

　　實驗設(shè)置完成，“孤獨的電子”成為量子系統(tǒng)，而在其周圍的“碳 13”原子核成為檢測的環(huán)境。

　　接下來的事只需要改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)——在此例中就是利用激光改變“孤獨的電子”的自旋方向，再檢測環(huán)境中的“碳 13”原子核就可以驗證量子達爾文主義了。在該團隊去年 9 月份的文章初稿中，他們表示觀測到了如同量子達爾文主義闡述的現(xiàn)象：“孤獨的電子”的自旋方向被環(huán)境記錄下來，而且檢測更多的“碳 13”原子核，得到的信息越接近。

祖瑞克（來源：Courtesy of Los Alamos National Laboratory）

　　對這樣的實驗結(jié)果，祖瑞克表示，實驗本身只是對量子達爾文主義的一個模擬近似結(jié)果。

　　可以說，實驗驗證了量子系統(tǒng)的狀態(tài)與環(huán)境之間的關(guān)系，對于量子達爾文主義也是支持的，但是我們很難說這些實驗完全證明了量子達爾文主義的正確性。因為，這些實驗還是沒有證明或者解釋量子物理和經(jīng)典物理的轉(zhuǎn)換，也沒有將經(jīng)典物理規(guī)律出現(xiàn)的其他可能證偽。或許我們最需要的還是更加先進的檢測設(shè)備，先進到能夠檢測量子系統(tǒng)的狀態(tài)改變，并且能分辨不同理論闡述之間的分別。

　　如今，我們還無法辨別量子達爾文主義的真?zhèn)危拇嬖谶€是遵循量子力學的理論一樣，亦真亦假。物理學家所做的也只能是不斷求真，不斷地將其真?zhèn)涡愿用魑罱K量子達爾文主義的真?zhèn)尾艜?ldquo;坍塌”為一種情況。

　　另外，量子達爾文主義離主流學說仍有距離，這從其相關(guān)的文章發(fā)表的學術(shù)期刊能側(cè)面瞥見一二。但是，量子達爾文主義確實提供了“量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)換”的可能的解釋，只能對今后相關(guān)的研究成果拭目以待了，就像潘建偉團隊在文章中寫的，這是驗證量子達爾文主義的第一步，今后還會有更多的成果涌現(xiàn)。

　　-End-

　　責編：黃珊

　　參考：

　　https://www.quantamagazine.org/quantum-darwinism-an-idea-to-explain-objective-reality-passes-first-tests-20190722/

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的量子达尔文主义迎首次验证！潘建伟等中外科学家领衔完成三大实验的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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