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# 譯者clkw注：在什么是量子達爾文主義一文中評論區(qū)提到過為何不直接翻譯quantamagazine原文，于是我去把原文翻譯了 下文譯自 https://www./quantum-darwinism-an-idea-to-explain-objective-reality-passes-first-tests-20190722/ 本文基于quantamagazine進行轉(zhuǎn)譯、潤色、少量刪除，因此——長文注意 量子物理一直被認為是詭異和反直覺的，這一點也不奇怪，我們所生活的世界完全不量子力學(xué)嘛。直到20世紀(jì)前，所有人都認為牛頓的經(jīng)典物理定律適用于所有的尺度。但普朗克、愛因斯坦、玻爾等人發(fā)現(xiàn)，在原子和亞原子粒子的世界，確定性變成了概率，一個原子沒有一個確定的位置，唯有去計算在不同地點找到它的概率。于是問題就變成了：無數(shù)模糊的概率云是如何互相聚合，最終形成精確的經(jīng)典宏觀世界的？ 物理學(xué)家有時把這稱作“量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)變”，但我們沒理由認為大尺度世界和小尺度世界遵循的是完全不同的規(guī)則，或者說兩者之間竟有個唐突變化的中間點。過去幾十年里，在理解量子物理如何逐漸變成經(jīng)典物理的路上，研究者有了長足的進步。 其中一個引人注目的想法是，經(jīng)典物理里的確定的物體屬性，例如位置或速度，是從眾多量子可能性的“菜單”中，通過一個可類比于自然選擇的過程，被選擇出來的。“存活”下來的屬性值，在某種意義上講，是“最適應(yīng)”的。和自然選擇一樣，生還者就是制造自身副本制造得最多的那一人。這意味著，多個互相獨立的觀測者對該量子系統(tǒng)做測量時，會得到相一致的結(jié)果——經(jīng)典世界的標(biāo)志性特征。 這一想法叫做量子達爾文主義(QD)，解釋的是為什么我們所體驗的世界不是量子那一套詭異作風(fēng)，雖然仍有很多謎團，但QD有助于彌合量子和經(jīng)典之間的鴻溝。 最近QD終于被擺上了實驗臺，來自意大利、中國和德國的三組獨立團隊在尋找這一“自然選擇”——也就是量子系統(tǒng)將自身的信息“銘刻”于外界環(huán)境的過程——存在的證據(jù)。專家說，這些初步的測試還不能證明QD就是量子力學(xué)凝聚形成精確現(xiàn)實的過程的正確圖景，但該理論暫時通過了測試。 適者生存量子達爾文主義的核心在于“測量”的概念。在經(jīng)典物理里，眼見為實，你要是看到網(wǎng)球以時速200km飛，那是因為這就是它的速度，無需再多言。 在量子物理里就不同了，量子力學(xué)的數(shù)學(xué)工具算出來的結(jié)果就能代表一個物體所處的狀態(tài)嗎？其實倒不如說，那只代表了假如我們做一次“測量”時可能會得到的數(shù)據(jù)。舉個例子，一個粒子可以處于多個量子態(tài)的“疊加”態(tài)，這并不真正代表著它“同時”處于這些態(tài)上面，而只不過是說假如我們進行一次測量，那么就會得到其中之一的結(jié)果。在沒被測量時，參與疊加的多個量子態(tài)互相“干涉”(interference)，像波一樣，導(dǎo)致或高或低的不同概率。 那么為什么我們看不見量子疊加呢？為什么不能讓粒子量子態(tài)的所有可能性都“存活”到人類的尺度大小呢？ 一般的回答是因為量子疊加很脆弱，纖細的量子系統(tǒng)很容易被環(huán)境噪音破壞。但這么說其實也不太對。當(dāng)兩個量子物體相互作用時，它們會發(fā)生“量子糾纏”(entanglement)，進入一個共同的量子態(tài)，兩者的屬性和概率就變得相互依賴。因此，例如把一個原子放到兩種自旋——“向上”和“向下”——的疊加態(tài)上，然后把該原子釋放到空氣中，那么當(dāng)它和一個空氣分子碰撞時，兩者會發(fā)生糾纏，共同進入一個疊加態(tài)。假如原子是自旋向上，那么空氣分子可能就是會被推遠；假如原子是自旋向下，那么空氣分子就走另一個方向——這兩種可能性同時存在。 當(dāng)這些粒子和其他空氣分子發(fā)生越來越多的碰撞，這一糾纏關(guān)系就逐漸擴散，最初僅發(fā)生在該原子身上的量子疊加也就蔓延得越來越廣。最初原子身上參與疊加的那兩個量子態(tài)之間就失去了“相干干涉”的特性，因為它們現(xiàn)在和周圍環(huán)境(乃至于包括宏觀測量儀表！)的量子態(tài)之間有了糾纏。從測量儀表的角度看，就仿佛原子的疊加態(tài)消失了，只剩下一張經(jīng)典的“菜單”——測量結(jié)果只允許從“菜單”上選擇，并且兩兩之間不再有干涉的特性。(譯注：沒錯，按這個解釋，測量儀表自身也進入了疊加，但它無從得知自身的“其他可能性”) “量子性”逐漸消失于環(huán)境中的這一過程被稱為“退相干”(decoherence)。這是量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)變中的關(guān)鍵步驟，解釋了為什么在多粒子宏觀系統(tǒng)里很難看到量子特性。這一過程發(fā)生得極快。假如空氣中的一顆塵埃處于兩個態(tài)的疊加上，兩個態(tài)對應(yīng)于塵埃的位置相差塵埃自身寬度大小，那么它和空氣分子的碰撞將在10^(-31)秒內(nèi)引發(fā)“退相干”，因此其疊加將變得無法察覺。即使在真空中，光子也會非常快就觸發(fā)其退相干，你沒法在不摧毀其疊加的情況下看到這顆塵埃。 意外的是，雖然退相干是量子力學(xué)的直接推論，但這個概念在上世紀(jì)70年代才被德國物理學(xué)家Heinz-Dieter Zeh所察覺。波蘭-美國物理學(xué)家Wojciech Zurek在80年代初進一步發(fā)展了這一想法，使其為更多人所知，而如今則有了實驗為其撐腰。 但要解釋經(jīng)典的客觀現(xiàn)實如何從中涌現(xiàn)，僅僅說因為退相干洗去了量子特性所以對觀測者而言是經(jīng)典的，這仍然不夠，還要讓多個觀測者對同一個量子系統(tǒng)的屬性的測量相互一致。但這辦法還是有的。在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作的Zurek就主張，以下兩點必須同時成立： 首先，量子系統(tǒng)必須有那么一些量子態(tài)，它們在面對環(huán)境的破壞性退相干時特別穩(wěn)健。Zurek稱之為“指針態(tài)”，因為它最終可以體現(xiàn)在測量儀表的指針上。一個粒子的某個特定位置，或者速度，或者自旋，或者偏振方向，這些都能用測量儀表的指針位置來表示。Zurek提出，量子物體是只有在擁有指針態(tài)的前提下才可能擁有經(jīng)典行為(即存在一些良好定義的、穩(wěn)定的、客觀的屬性)。 在數(shù)學(xué)上，指針態(tài)的特點在于，引起退相干的環(huán)境相互作用沒法徹底攪亂它——要么指針態(tài)不變，要么是變成和原本非常接近的另一個量子態(tài)。這意味著環(huán)境不是人人平等地摧毀量子性，而是在抹平某些量子態(tài)的同時特別挑選出另外一些。例如，一個粒子的位置屬性就不怕退相干。然而，多個不同位置的態(tài)疊加在一起就不是指針態(tài)了，與環(huán)境的相互作用將使其退相干成局域的一個個指針態(tài)，只有其中之一會被觀測到。Zurek在80年代描述了指針態(tài)的這種“環(huán)境引致的超選擇”過程。 但還需要第二個條件，才能讓量子屬性被觀測到。盡管前面已經(jīng)保證了指針態(tài)的穩(wěn)定性，但我們還必須得有辦法獲取關(guān)于該指針態(tài)的信息，而這只有在該信息被“銘刻”于周圍環(huán)境時才可能做得到。例如，當(dāng)你看見一個物體，該信息是通過光子撞上你的視網(wǎng)膜從而傳遞給你的。這些光子攜帶的信息是該物體的某些方面的不完整副本，例如其位置、形狀或顏色。假如要讓許多觀察者在某個測量值上達成一致(經(jīng)典世界的標(biāo)志性特征)，那么就需要有非常多該信息的副本。因此，Zurek在本世紀(jì)00年代主張，我們要想觀測某一項屬性，這不僅僅取決于它是不是指針態(tài)，而且還取決于它在環(huán)境中能留下多少足印。最能在環(huán)境中制造副本的量子態(tài)——或者說，“最適應(yīng)”的那些態(tài)——才是我們所能測量得到的態(tài)。這就是Zurek將這一想法稱為量子達爾文主義的原因。 他發(fā)現(xiàn)，有助于指針態(tài)的“環(huán)境引致的超選擇”的那些穩(wěn)定性屬性同時也有助于量子達爾文主義的適應(yīng)性(或者說制造副本的能力)。Zurek說，“外界環(huán)境在監(jiān)測一個量子系統(tǒng)的同時也在使該系統(tǒng)退相干，它造成退相干的過程應(yīng)該也把該信息的眾多副本抄寫在了環(huán)境里。” 信息過載當(dāng)然了，“銘刻”于環(huán)境里的信息是否最終被人類觀測者讀出并不重要，重要的是“原則上”能不能被讀出而已。加拿大沃特盧圓周理論物理研究所的物理學(xué)家Jess Riedel說，“QD可以解釋，或有助于解釋，實驗室以外的乃至于人類誕生以前的所有宏觀物體的經(jīng)典性。” 約十年前，當(dāng)Riedel還是Zurek門下的研究生時，兩人在理論上證明了某些簡單的理想化的量子系統(tǒng)的信息會按Riede的說法，“大量復(fù)制進環(huán)境里，以至于只需獲取其中一小部分就足以推出所要測量的數(shù)值。”依他們的計算，一毫米大小的塵埃在被陽光照射一毫秒后，其位置就會被“銘刻”在散射光子中約一億次。 正因為有這種信息冗余，客觀的、經(jīng)典的屬性才得以存在。十個觀察者同時測量塵埃的位置并互相一致，是因為每人都能獲取到該信息的一份副本。這顆塵埃有一個客觀的“位置”屬性不是因為它原本就“擁有”一個位置，而是因為它的“位置態(tài)”可以產(chǎn)生許多相同的副本，讓不同的觀察者達成共識。 此外，你不需要監(jiān)視整個環(huán)境才能獲取大部分有效信息——監(jiān)視一小部分環(huán)境獲取的信息量，在你擴大監(jiān)視范圍后并沒有明顯的提升。Riedel說，“我們獲取到的信息量會迅速達到飽和。” 貝爾法斯特女王大學(xué)的物理學(xué)家Mauro Paternostro解釋道，這種信息冗余是QD獨有的特點，這一特性刻畫了從量子到經(jīng)典的轉(zhuǎn)變。 西班牙塞維利亞大學(xué)的理論物理學(xué)家Adán Cabello說，QD挑戰(zhàn)了以往認為經(jīng)典世界不能被量子理論描述的說法，恰恰相反，量子理論能完美描述經(jīng)典世界是如何涌現(xiàn)的。 然而，關(guān)于有多完美，大家各執(zhí)一詞。有的研究者認為退相干和QD已經(jīng)完全解釋了量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)變，但雖然它們盡力解釋了為何量子疊加會消失和為何能殘留下經(jīng)典屬性，仍然剩下一個問題：為何測量結(jié)果只有一個？當(dāng)粒子的某一個特定位置被選擇出來，它的其他可能性到哪里去了？后者也是真實的嗎？研究者們被迫采用量子力學(xué)的哲學(xué)詮釋，恰恰就是因為沒人能想出一個從實驗上回答這個問題的辦法。 來到實驗室量子達爾文主義從紙上看還挺誘人的，但直到最近它才不再停留在紙上。去年，三組團隊分別獨立測試了QD的關(guān)鍵特征：一個量子系統(tǒng)是如何將自身的副本“銘刻”在周圍環(huán)境里的？ 當(dāng)然，想要監(jiān)視無數(shù)空氣分子環(huán)繞的一顆塵埃，實驗上是做不到的，三組中的兩組團隊人為地制造了只由少數(shù)粒子構(gòu)成的“人工環(huán)境”。一組人是Paternostro及在羅馬大學(xué)的合作者，另一組人是量子信息專家潘建偉和在中科大的共同作者，兩組人都使用單個光子作為被測的量子系統(tǒng)，用寥寥可數(shù)的其他光子作為與之相互作用并傳出信息的“環(huán)境”。 兩組人都是將激光光子射入一系列光學(xué)儀器，使光子間發(fā)生糾纏，最后從“環(huán)境”光子中讀出“系統(tǒng)”光子的指針態(tài)(這里用的是它的偏振態(tài))。 QD的核心預(yù)測正是“飽和效應(yīng)”：只需監(jiān)測少數(shù)幾個環(huán)境粒子，就應(yīng)該足以獲取該量子系統(tǒng)的基本上所有信息。潘建偉說，“交互環(huán)境的一小部分就足以提供關(guān)于被測系統(tǒng)的最大經(jīng)典信息。” 兩組人的實驗都確認了這一點：僅僅測量一個“環(huán)境”光子就揭示了“系統(tǒng)”光子偏振的許多信息，而繼續(xù)測量更多的“環(huán)境”光子所能獲得的信息量則逐步減少。潘建偉解釋，單獨一個光子也能叫做環(huán)境，只要它和被測光子的相互作用足夠強，就能使被測光子發(fā)生退相干和選擇效應(yīng)。假如兩者相互作用較弱，就需要監(jiān)視更大的環(huán)境。 QD的第三個實驗，是德國烏爾姆大學(xué)的量子光學(xué)物理學(xué)家Fedor Jelezko與Zurek等人合作完成的。他們用了很不同的系統(tǒng)和環(huán)境：用一個氮原子替代鉆石晶格當(dāng)中的一個碳原子的位置，即所謂氮空穴缺陷。氮原子比碳原子多一個電子，多出來的電子就無法和周圍碳原子形成化學(xué)鍵，于是就該電子就像孤零零的一個箭頭，可以自旋向上、向下或者處于疊加態(tài)。 該自旋可以和鉆石晶格中約占0.3%的碳13同位素發(fā)生磁相互作用，因為碳12核沒有自旋，而碳13核有。平均下來，每個氮空穴自旋都和距離它1納米以內(nèi)的4個碳13自旋發(fā)生強耦合。 研究者們用激光和無線電脈沖進行控制和監(jiān)視，由此測量氮電子自旋的變化是如何記錄在環(huán)境的碳13核自旋的變化中的。根據(jù)他們上年9月的論文預(yù)印本，他們也觀察到了QD預(yù)言的特征信息冗余：氮自旋有眾多副本被記錄在環(huán)境里，并且環(huán)境監(jiān)視范圍擴大時我們獲取的信息迅速飽和。 Zurek說，光子實驗里生成信息副本的方式是人為的，而不是讓自然來選擇出真正免疫退相干的指針態(tài)，實驗者自己就欽定了指針態(tài)。相反，鉆石環(huán)境才真正探出了指針態(tài)。Zurek補充說，鉆石實驗也有環(huán)境大小導(dǎo)致的問題，但至少這是天然的。 推廣量子達爾文主義QD還算成功，Zurek說，迄今的研究都得到和期待差不多的結(jié)果。 Riedel說他難以想象會有別的實驗結(jié)果，從他看來，QD只不過是將標(biāo)準(zhǔn)的量子力學(xué)很小心很系統(tǒng)地應(yīng)用在系統(tǒng)環(huán)境交互上而已。盡管大部分量子測量實驗都無法做得這么徹底，但只要你讓實驗足夠簡化，預(yù)測的結(jié)果是很顯然的。他說：“QD基本上就像是量子理論自身的一個內(nèi)部自洽性檢查。” 但盡管這些研究都和QD保持一致，它們還不足以說明QD就是經(jīng)典行為如何涌現(xiàn)的唯一解釋，也不能證明QD是完全正確的。Cabello說，這三個實驗都只是實際環(huán)境的極度簡化版，而且，這些實驗也不足以排除掉解釋經(jīng)典行為如何涌現(xiàn)的其他理論。例如有一個理論叫“譜廣播”(spectrum broadcasting)，是QD的一種推廣……(下略) 研究者們還在嘗試做更好的量子測量實驗，因為這是非常有益的練習(xí)，想要直接檢測QD就要繼續(xù)將實驗技巧和能力推到極致。唯一能解答“測量”究竟意味著什么的途徑，就是做更好更精細的測量。 |
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