# 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.quantamagazine.org/quantum-darwinism-an-idea-to-explain-objective-reality-passes-first-tests-20190722/
本文基于quantamagazine進行轉譯、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嘛。直到20世紀前，所有人都認為牛頓的經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，最終形成精確的經典宏觀世界的？
物理學家有時把這稱作“量子-經典轉變”，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?！按婊睢毕聛淼膶傩灾?，在某種意義上講，是“最適應”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，會得到相一致的結果——經典世界的標志性特征。
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，雖然仍有很多謎團，但QD有助于彌合量子和經典之間的鴻溝。
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。
量子達爾文主義的核心在于“測量”的概念。在經典物理里，眼見為實，你要是看到網球以時速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，量子力學的數(shù)學工具算出來的結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，只剩下一張經典的“菜單”——測量結果只允許從“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-經典轉變中的關鍵步驟，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?？炀陀|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的直接推論，但這個概念在上世紀70年代才被德國物理學家Heinz-Dieter Zeh所察覺。波蘭-美國物理學家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，當你看見一個物體，該信息是通過光子撞上你的視網膜從而傳遞給你的。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(經典世界的標志性特征)，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”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該也把該信息的眾多副本抄寫在了環(huán)境里?！?/p>
當然了，“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典性?！?/p>
約十年前，當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?！币浪麄兊挠嬎?，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的物理學家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典的轉變。
西班牙塞維利亞大學的理論物理學家Adán Cabello說，QD挑戰(zhàn)了以往認為經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典世界是如何涌現(xiàn)的。
然而，關于有多完美，大家各執(zhí)一詞。有的研究者認為退相干和QD已經完全解釋了量子-經典轉變，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典屬性，仍然剩下一個問題：為何測量結果只有一個？當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的哲學詮釋，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。
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)粒子構成的“人工環(huán)境”。一組人是Paternostro及在羅馬大學的合作者，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的核心預測正是“飽和效應”：只需監(jiān)測少數(shù)幾個環(huán)境粒子，就應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于被測系統(tǒng)的最大經典信息。”
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。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，是德國烏爾姆大學的量子光學物理學家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月的論文預印本，他們也觀察到了QD預言的特征信息冗余：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)境大小導致的問題，但至少這是天然的。
QD還算成功，Zurek說，迄今的研究都得到和期待差不多的結果。
Riedel說他難以想象會有別的實驗結果，從他看來，QD只不過是將標準的量子力學很小心很系統(tǒng)地應用在系統(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，預測的結果是很顯然的。他說：“QD基本上就像是量子理論自身的一個內部自洽性檢查?！?/p>
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，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。
