# 譯者clkw注：在什么是量子達(dá)爾文主義一文中評(píng)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(jìn)行轉(zhuǎn)譯、潤(rùn)色、少量刪除，因此——長(zhǎng)文注意
量子物理一直被認(rèn)為是詭異和反直覺的，這一點(diǎn)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(rèn)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(gè)原子沒有一個(gè)確定的位置，唯有去計(jì)算在不同地點(diǎn)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(shí)把這稱作“量子-經(jīng)典轉(zhuǎn)變”，但我們沒理由認(rèn)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(gè)唐突變化的中間點(diǎn)。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(zhǎng)足的進(jìn)步。
其中一個(gè)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(gè)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(gè)互相獨(dú)立的觀測(cè)者對(duì)該量子系統(tǒng)做測(cè)量時(shí)，會(huì)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(dá)爾文主義(QD)，解釋的是為什么我們所體驗(yàn)的世界不是量子那一套詭異作風(fēng)，雖然仍有很多謎團(tuán)，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(shí)驗(yàn)臺(tái)，來自意大利、中國(guó)和德國(guó)的三組獨(dú)立團(tuán)隊(duì)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(cè)試還不能證明QD就是量子力學(xué)凝聚形成精確現(xiàn)實(shí)的過程的正確圖景，但該理論暫時(shí)通過了測(cè)試。
量子達(dá)爾文主義的核心在于“測(cè)量”的概念。在經(jīng)典物理里，眼見為實(shí)，你要是看到網(wǎng)球以時(shí)速200km飛，那是因?yàn)檫@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(gè)物體所處的狀態(tài)嗎？其實(shí)倒不如說，那只代表了假如我們做一次“測(cè)量”時(shí)可能會(huì)得到的數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子，一個(gè)粒子可以處于多個(gè)量子態(tài)的“疊加”態(tài)，這并不真正代表著它“同時(shí)”處于這些態(tài)上面，而只不過是說假如我們進(jìn)行一次測(cè)量，那么就會(huì)得到其中之一的結(jié)果。在沒被測(cè)量時(shí)，參與疊加的多個(gè)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?yàn)榱孔盈B加很脆弱，纖細(xì)的量子系統(tǒng)很容易被環(huán)境噪音破壞。但這么說其實(shí)也不太對(duì)。當(dāng)兩個(gè)量子物體相互作用時(shí)，它們會(huì)發(fā)生“量子糾纏”(entanglement)，進(jìn)入一個(gè)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(gè)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(gè)空氣分子碰撞時(shí)，兩者會(huì)發(fā)生糾纏，共同進(jìn)入一個(gè)疊加態(tài)。假如原子是自旋向上，那么空氣分子可能就是會(huì)被推遠(yuǎn)；假如原子是自旋向下，那么空氣分子就走另一個(gè)方向——這兩種可能性同時(shí)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(kuò)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(gè)量子態(tài)之間就失去了“相干干涉”的特性，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在和周圍環(huán)境(乃至于包括宏觀測(cè)量?jī)x表！)的量子態(tài)之間有了糾纏。從測(cè)量?jī)x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(cè)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(cuò)，按這個(gè)解釋，測(cè)量?jī)x表自身也進(jìn)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(gè)態(tài)的疊加上，兩個(gè)態(tài)對(duì)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(huì)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(xué)的直接推論，但這個(gè)概念在上世紀(jì)70年代才被德國(guó)物理學(xué)家Heinz-Dieter Zeh所察覺。波蘭-美國(guó)物理學(xué)家Wojciech Zurek在80年代初進(jìn)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(shí)驗(yàn)為其撐腰。
但要解釋經(jīng)典的客觀現(xiàn)實(shí)如何從中涌現(xiàn)，僅僅說因?yàn)橥讼喔上慈チ肆孔犹匦运詫?duì)觀測(cè)者而言是經(jīng)典的，這仍然不夠，還要讓多個(gè)觀測(cè)者對(duì)同一個(gè)量子系統(tǒng)的屬性的測(cè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的Zurek就主張，以下兩點(diǎn)必須同時(shí)成立：
首先，量子系統(tǒng)必須有那么一些量子態(tài)，它們?cè)诿鎸?duì)環(huán)境的破壞性退相干時(shí)特別穩(wěn)健。Zurek稱之為“指針態(tài)”，因?yàn)樗罱K可以體現(xiàn)在測(cè)量?jī)x表的指針上。一個(gè)粒子的某個(gè)特定位置，或者速度，或者自旋，或者偏振方向，這些都能用測(cè)量?jī)x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(diǎn)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(gè)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(shí)特別挑選出另外一些。例如，一個(gè)粒子的位置屬性就不怕退相干。然而，多個(gè)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(gè)個(gè)指針態(tài)，只有其中之一會(huì)被觀測(cè)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(gè)條件，才能讓量子屬性被觀測(cè)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(shí)才可能做得到。例如，當(dāng)你看見一個(gè)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(gè)測(cè)量值上達(dá)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(cè)某一項(xiàng)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(cè)量得到的態(tài)。這就是Zurek將這一想法稱為量子達(dá)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(shí)也有助于量子達(dá)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(cè)一個(gè)量子系統(tǒng)的同時(shí)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?！?/p>
當(dāng)然了，“銘刻”于環(huán)境里的信息是否最終被人類觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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?！?/p>
約十年前，當(dāng)Riedel還是Zurek門下的研究生時(shí)，兩人在理論上證明了某些簡(jiǎn)單的理想化的量子系統(tǒng)的信息會(huì)按Riede的說法，“大量復(fù)制進(jìn)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(cè)量的數(shù)值?！币浪麄兊挠?jì)算，一毫米大小的塵埃在被陽(yáng)光照射一毫秒后，其位置就會(huì)被“銘刻”在散射光子中約一億次。
正因?yàn)橛羞@種信息冗余，客觀的、經(jīng)典的屬性才得以存在。十個(gè)觀察者同時(shí)測(cè)量塵埃的位置并互相一致，是因?yàn)槊咳硕寄塬@取到該信息的一份副本。這顆塵埃有一個(gè)客觀的“位置”屬性不是因?yàn)樗揪汀皳碛小币粋€(gè)位置，而是因?yàn)樗摹拔恢脩B(tài)”可以產(chǎn)生許多相同的副本，讓不同的觀察者達(dá)成共識(shí)。
此外，你不需要監(jiān)視整個(gè)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(kuò)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(huì)迅速達(dá)到飽和?！?/p>
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(dú)有的特點(diǎn)，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(rèn)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(rèn)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(huì)消失和為何能殘留下經(jīng)典屬性，仍然剩下一個(gè)問題：為何測(cè)量結(jié)果只有一個(gè)？當(dāng)粒子的某一個(gè)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(shí)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?yàn)闆]人能想出一個(gè)從實(shí)驗(yàn)上回答這個(gè)問題的辦法。
量子達(dá)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(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立測(cè)試了QD的關(guān)鍵特征：一個(gè)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(shí)驗(yàn)上是做不到的，三組中的兩組團(tuán)隊(duì)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(gè)光子作為被測(cè)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(cè)正是“飽和效應(yīng)”：只需監(jiān)測(cè)少數(shù)幾個(gè)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(cè)系統(tǒng)的最大經(jīng)典信息?！?/p>
兩組人的實(shí)驗(yàn)都確認(rèn)了這一點(diǎn)：僅僅測(cè)量一個(gè)“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(cè)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(dú)一個(gè)光子也能叫做環(huán)境，只要它和被測(cè)光子的相互作用足夠強(qiáng)，就能使被測(cè)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(gè)實(shí)驗(yàn)，是德國(guó)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(gè)氮原子替代鉆石晶格當(dāng)中的一個(gè)碳原子的位置，即所謂氮空穴缺陷。氮原子比碳原子多一個(gè)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(gè)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?yàn)樘?2核沒有自旋，而碳13核有。平均下來，每個(gè)氮空穴自旋都和距離它1納米以內(nèi)的4個(gè)碳13自旋發(fā)生強(qiáng)耦合。
研究者們用激光和無線電脈沖進(jìn)行控制和監(jiān)視，由此測(cè)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(kuò)大時(shí)我們獲取的信息迅速飽和。
Zurek說，光子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(bǔ)充說，鉆石實(shí)驗(yàn)也有環(huán)境大小導(dǎo)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(jié)果。
Riedel說他難以想象會(huì)有別的實(shí)驗(yàn)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(cè)量實(shí)驗(yàn)都無法做得這么徹底，但只要你讓實(shí)驗(yàn)足夠簡(jiǎn)化，預(yù)測(cè)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(gè)內(nèi)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(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(gè)實(shí)驗(yàn)都只是實(shí)際環(huán)境的極度簡(jiǎn)化版，而且，這些實(shí)驗(yàn)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(gè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@是非常有益的練習(xí)，想要直接檢測(cè)QD就要繼續(xù)將實(shí)驗(yàn)技巧和能力推到極致。唯一能解答“測(cè)量”究竟意味著什么的途徑，就是做更好更精細(xì)的測(cè)量。
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