達(dá)爾文、愛因斯坦，如果將這兩人的智慧碰撞在一起，會(huì)得到什么?

　　一種名為“量子達(dá)爾文主義”的理論可以視為這樣的一個(gè)成果。

　　這個(gè)理論由波蘭裔美國物理學(xué)家沃伊切赫·祖瑞克( Wojciech Zurek )教授提出。祖瑞克教授在上個(gè)世紀(jì) 90 年代開始研究量子力學(xué)，基于“環(huán)境退相關(guān)(Environmental Decoherence)”等理論，他首次提出量子達(dá)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(xué)領(lǐng)域)，并相繼在 PRL 和 Nature Physics 頂級物理學(xué)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(dá)爾文主義”認(rèn)為，我們熟知的經(jīng)典物理學(xué)中物體的定態(tài)性質(zhì)之所以有著“確定”的時(shí)空屬性，例如位置和速度，其實(shí)是在量子力學(xué)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(dá)爾文主義直到最近一年才得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，來自中國、意大利和德國的研究小組分別獨(dú)立地完成了自己的驗(yàn)證。其中一個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)由中國科學(xué)家潘建偉所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成。

　　隨著這些驗(yàn)證的實(shí)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)“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(huì)聯(lián)系到“玄學(xué)”，很大程度上是因?yàn)槿藗兊娜粘Ｉ畈⒉荒芨惺艿搅孔恿W(xué)的存在。在 20 世紀(jì)之前，以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理學(xué)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(shí)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(xué)先驅(qū)相繼建立量子力學(xué)的基礎(chǔ)，開啟了量子力學(xué)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(xué)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(xué)的主題。例如，無法給電子(或其他微小粒子)定義一個(gè)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。

　　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(xué)，追求的卻是“確定性”。

　　兩者的相悖，帶來了一個(gè)終極拷問似的命題：現(xiàn)實(shí)世界是由一個(gè)一個(gè)原子組成的，遵循的是經(jīng)典物理學(xué)的原理，而在原子層面上考慮，遵循的是量子力學(xué)，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(xué)如何集中體現(xiàn)出經(jīng)典物理學(xué)的原理的?

　　物理學(xué)家將這樣的突變稱為“量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)換”。但事實(shí)上，不同尺度大小的世界會(huì)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。

　　達(dá)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(xué)家不斷地在嘗試解釋，量子力學(xué)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(xué)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(xué)家的觀點(diǎn)，其主要的焦點(diǎn)就是“波函數(shù)坍塌”。其中，哥本哈根解釋認(rèn)為波函數(shù)是代表量子領(lǐng)域下事物的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，它以概率的形式呈現(xiàn)，就像撒貝寧在“吐槽大會(huì)”中說的快遞中的電子產(chǎn)品，其狀態(tài)就是一個(gè)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(gè)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(gè)盒子查看，當(dāng)我們查看的時(shí)候，電子產(chǎn)品的狀態(tài)才會(huì)從兩個(gè)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(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)“薛定諤的貓”，說的是同一個(gè)原理。

　　通過這兩個(gè)例子，我們不難看出，在量子力學(xué)中的量子系統(tǒng)，一般無法用一個(gè)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(jìn)行測量，而測量本身可能就會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響，而造成“波函數(shù)坍塌”。其實(shí)，“波函數(shù)坍塌”這一理論還解釋了量子力學(xué)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(gè)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(huì)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(shí)，系統(tǒng)波函數(shù)會(huì)坍縮，又是以怎樣的規(guī)律坍縮的?

　　又有很多物理學(xué)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(dá)爾文主義。

　　正如文章開頭所言，“量子達(dá)爾文主義”認(rèn)為，宏觀世界、經(jīng)典物理學(xué)中物體有“確定”的時(shí)空屬性，例如位置和速度，其實(shí)是在量子力學(xué)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(fù)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(xué)的性質(zhì)和原理，應(yīng)該是無窮多個(gè)獨(dú)立的觀察者觀察量子系統(tǒng)都能夠得到的。

　　其次，根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論和自然選擇學(xué)說，物種的進(jìn)化或者是特點(diǎn)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(dá)爾文主義中，環(huán)境也充當(dāng)了十分重要的角色，祖瑞克認(rèn)為，環(huán)境之于量子系統(tǒng)和觀察者之間相當(dāng)于信息的通道，量子系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)的疊加會(huì)通過這樣的信息通道傳遞給觀察者，而環(huán)境的特點(diǎn)就決定了哪些信息會(huì)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。

　　三組團(tuán)隊(duì)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，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(dá)爾文主義迎來了首批實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，來自中國、意大利和德國的研究小組分別獨(dú)立地完成了自己的驗(yàn)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(fù)性最高的信息。

　　因此，三個(gè)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)很一致，都是為了尋找量子系統(tǒng)中能夠被重復(fù)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(yàn)證量子達(dá)爾文主義。

　　這是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義上踏出的第一步，但是可能是最重要的一步，因?yàn)椋麄冋J(rèn)為量子達(dá)爾文主義可能就是正確的方向，能夠解釋我們堅(jiān)固的現(xiàn)實(shí)是怎樣從量子力學(xué)領(lǐng)域提供的眾多選項(xiàng)中凝聚起來的。

　　其中，中國的團(tuán)隊(duì)由中國科技大學(xué)潘建偉教授和陸朝陽教授領(lǐng)銜，他們和意大利的研究團(tuán)隊(duì)不謀而合。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，采用的都是固態(tài)激光器發(fā)射一個(gè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)的細(xì)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(shí)驗(yàn)中，他們先將單光子量子系統(tǒng)和環(huán)境光子通過光學(xué)器件耦合在一起，然后對環(huán)境光子進(jìn)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(dòng)方向)。

　　根據(jù) Quanta 的報(bào)道，潘建偉解釋道，實(shí)驗(yàn)中任何細(xì)小的環(huán)境擾動(dòng)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(xué)信息。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如他所說，僅僅檢測一個(gè)充當(dāng)環(huán)境的光子就能獲得相當(dāng)多的關(guān)于單光子系統(tǒng)極化的信息，而檢測多個(gè)光子的信息之后，獲得的信息也大致相同，這與量子達(dá)爾文主義的闡述相符合。

　　來自德國烏爾姆大學(xué)的研究小組采用的是另一種實(shí)驗(yàn)設(shè)置。值得一提的是，該小組由光量子物理學(xué)家費(fèi)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(dá)爾文主義的提出者祖瑞克有很緊密的聯(lián)系。

　　在這個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)通過將鉆石中一個(gè)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(gè)電子，在氮原子和碳原子成鍵之后，多出來的這個(gè)電子就不能在鉆石晶格中成鍵，它成為了“孤獨(dú)”的個(gè)體，擁有著自旋的自由度，頭朝上或朝下。這就構(gòu)成了一個(gè)典型的量子系統(tǒng)，因?yàn)樗臓顟B(tài)是不確定的，是兩種狀態(tài)可能性的疊加。

　　然而，這個(gè)孤獨(dú)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(shí)，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(gè)中子。杰列茲科指出，大約每個(gè)“孤獨(dú)電子”都會(huì)和附近的 4 個(gè)“碳 13”原子核耦合在一起，距離大約在1納米之內(nèi)。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置完成，“孤獨(dú)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(dú)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(yàn)證量子達(dá)爾文主義了。在該團(tuán)隊(duì)去年9月份的文章初稿中，他們表示觀測到了如同量子達(dá)爾文主義闡述的現(xiàn)象：“孤獨(dú)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。

　　對這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，祖瑞克表示，實(shí)驗(yàn)本身只是對量子達(dá)爾文主義的一個(gè)模擬近似結(jié)果。

　　可以說，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dá)爾文主義也是支持的，但是我們很難說這些實(shí)驗(yàn)完全證明了量子達(dá)爾文主義的正確性。因?yàn)椋@些實(shí)驗(yàn)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(jìn)的檢測設(shè)備，先進(jìn)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(dá)爾文主義的真?zhèn)危拇嬖谶€是遵循量子力學(xué)的理論一樣，亦真亦假。物理學(xué)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(dá)爾文主義的真?zhèn)尾艜?huì)“坍塌”為一種情況。

　　另外，量子達(dá)爾文主義離主流學(xué)說仍有距離，這從其相關(guān)的文章發(fā)表的學(xué)術(shù)期刊能側(cè)面瞥見一二。但是，量子達(dá)爾文主義確實(shí)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(tuán)隊(duì)在文章中寫的，這是驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義的第一步，今后還會(huì)有更多的成果涌現(xiàn)。
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