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量子达尔文主义:解释客观现实的新思路

# 译者clkw注:在什么是量子达尔文主义一文中评论区提到过为何不直接翻译quantamagazine原文,于是我去把原文翻译了

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

本文基于quantamagazine进行转译、润色、少量删除,因此——长文注意

量子物理一直被认为是诡异和反直觉的,这一点也不奇怪,我们所生活的世界完全不量子力学嘛。直到20世纪前,所有人都认为牛顿的经典物理定律适用于所有的尺度。但普朗克、爱因斯坦、玻尔等人发现,在原子和亚原子粒子的世界,确定性变成了概率,一个原子没有一个确定的位置,唯有去计算在不同地点找到它的概率。于是问题就变成了:无数模糊的概率云是如何互相聚合,最终形成精确的经典宏观世界的?

物理学家有时把这称作“量子-经典转变”,但我们没理由认为大尺度世界和小尺度世界遵循的是完全不同的规则,或者说两者之间竟有个唐突变化的中间点。过去几十年里,在理解量子物理如何逐渐变成经典物理的路上,研究者有了长足的进步。

其中一个引人注目的想法是,经典物理里的确定的物体属性,例如位置或速度,是从众多量子可能性的“菜单”中,通过一个可类比于自然选择的过程,被选择出来的。“存活”下来的属性值,在某种意义上讲,是“最适应”的。和自然选择一样,生还者就是制造自身副本制造得最多的那一人。这意味着,多个互相独立的观测者对该量子系统做测量时,会得到相一致的结果——经典世界的标志性特征。

这一想法叫做量子达尔文主义(QD),解释的是为什么我们所体验的世界不是量子那一套诡异作风,虽然仍有很多谜团,但QD有助于弥合量子和经典之间的鸿沟。

最近QD终于被摆上了实验台,来自意大利、中国和德国的三组独立团队在寻找这一“自然选择”——也就是量子系统将自身的信息“铭刻”于外界环境的过程——存在的证据。专家说,这些初步的测试还不能证明QD就是量子力学凝聚形成精确现实的过程的正确图景,但该理论暂时通过了测试。

适者生存

量子达尔文主义的核心在于“测量”的概念。在经典物理里,眼见为实,你要是看到网球以时速200km飞,那是因为这就是它的速度,无需再多言。

在量子物理里就不同了,量子力学的数学工具算出来的结果就能代表一个物体所处的状态吗?其实倒不如说,那只代表了假如我们做一次“测量”时可能会得到的数据。举个例子,一个粒子可以处于多个量子态的“叠加”态,这并不真正代表着它“同时”处于这些态上面,而只不过是说假如我们进行一次测量,那么就会得到其中之一的结果。在没被测量时,参与叠加的多个量子态互相“干涉”(interference),像波一样,导致或高或低的不同概率。

那么为什么我们看不见量子叠加呢?为什么不能让粒子量子态的所有可能性都“存活”到人类的尺度大小呢?

一般的回答是因为量子叠加很脆弱,纤细的量子系统很容易被环境噪音破坏。但这么说其实也不太对。当两个量子物体相互作用时,它们会发生“量子纠缠”(entanglement),进入一个共同的量子态,两者的属性和概率就变得相互依赖。因此,例如把一个原子放到两种自旋——“向上”和“向下”——的叠加态上,然后把该原子释放到空气中,那么当它和一个空气分子碰撞时,两者会发生纠缠,共同进入一个叠加态。假如原子是自旋向上,那么空气分子可能就是会被推远;假如原子是自旋向下,那么空气分子就走另一个方向——这两种可能性同时存在。

当这些粒子和其他空气分子发生越来越多的碰撞,这一纠缠关系就逐渐扩散,最初仅发生在该原子身上的量子叠加也就蔓延得越来越广。最初原子身上参与叠加的那两个量子态之间就失去了“相干干涉”的特性,因为它们现在和周围环境(乃至于包括宏观测量仪表!)的量子态之间有了纠缠。从测量仪表的角度看,就仿佛原子的叠加态消失了,只剩下一张经典的“菜单”——测量结果只允许从“菜单”上选择,并且两两之间不再有干涉的特性。(译注:没错,按这个解释,测量仪表自身也进入了叠加,但它无从得知自身的“其他可能性”)

“量子性”逐渐消失于环境中的这一过程被称为“退相干”(decoherence)。这是量子-经典转变中的关键步骤,解释了为什么在多粒子宏观系统里很难看到量子特性。这一过程发生得极快。假如空气中的一颗尘埃处于两个态的叠加上,两个态对应于尘埃的位置相差尘埃自身宽度大小,那么它和空气分子的碰撞将在10^(-31)秒内引发“退相干”,因此其叠加将变得无法察觉。即使在真空中,光子也会非常快就触发其退相干,你没法在不摧毁其叠加的情况下看到这颗尘埃。

意外的是,虽然退相干是量子力学的直接推论,但这个概念在上世纪70年代才被德国物理学家Heinz-Dieter Zeh所察觉。波兰-美国物理学家Wojciech Zurek在80年代初进一步发展了这一想法,使其为更多人所知,而如今则有了实验为其撑腰。

但要解释经典的客观现实如何从中涌现,仅仅说因为退相干洗去了量子特性所以对观测者而言是经典的,这仍然不够,还要让多个观测者对同一个量子系统的属性的测量相互一致。但这办法还是有的。在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的Zurek就主张,以下两点必须同时成立:

首先,量子系统必须有那么一些量子态,它们在面对环境的破坏性退相干时特别稳健。Zurek称之为“指针态”,因为它最终可以体现在测量仪表的指针上。一个粒子的某个特定位置,或者速度,或者自旋,或者偏振方向,这些都能用测量仪表的指针位置来表示。Zurek提出,量子物体是只有在拥有指针态的前提下才可能拥有经典行为(即存在一些良好定义的、稳定的、客观的属性)。

在数学上,指针态的特点在于,引起退相干的环境相互作用没法彻底搅乱它——要么指针态不变,要么是变成和原本非常接近的另一个量子态。这意味着环境不是人人平等地摧毁量子性,而是在抹平某些量子态的同时特别挑选出另外一些。例如,一个粒子的位置属性就不怕退相干。然而,多个不同位置的态叠加在一起就不是指针态了,与环境的相互作用将使其退相干成局域的一个个指针态,只有其中之一会被观测到。Zurek在80年代描述了指针态的这种“环境引致的超选择”过程。

但还需要第二个条件,才能让量子属性被观测到。尽管前面已经保证了指针态的稳定性,但我们还必须得有办法获取关于该指针态的信息,而这只有在该信息被“铭刻”于周围环境时才可能做得到。例如,当你看见一个物体,该信息是通过光子撞上你的视网膜从而传递给你的。这些光子携带的信息是该物体的某些方面的不完整副本,例如其位置、形状或颜色。假如要让许多观察者在某个测量值上达成一致(经典世界的标志性特征),那么就需要有非常多该信息的副本。因此,Zurek在本世纪00年代主张,我们要想观测某一项属性,这不仅仅取决于它是不是指针态,而且还取决于它在环境中能留下多少足印。最能在环境中制造副本的量子态——或者说,“最适应”的那些态——才是我们所能测量得到的态。这就是Zurek将这一想法称为量子达尔文主义的原因。

他发现,有助于指针态的“环境引致的超选择”的那些稳定性属性同时也有助于量子达尔文主义的适应性(或者说制造副本的能力)。Zurek说,“外界环境在监测一个量子系统的同时也在使该系统退相干,它造成退相干的过程应该也把该信息的众多副本抄写在了环境里。”

信息过载

当然了,“铭刻”于环境里的信息是否最终被人类观测者读出并不重要,重要的是“原则上”能不能被读出而已。加拿大沃特卢圆周理论物理研究所的物理学家Jess Riedel说,“QD可以解释,或有助于解释,实验室以外的乃至于人类诞生以前的所有宏观物体的经典性。”

约十年前,当Riedel还是Zurek门下的研究生时,两人在理论上证明了某些简单的理想化的量子系统的信息会按Riede的说法,“大量复制进环境里,以至于只需获取其中一小部分就足以推出所要测量的数值。”依他们的计算,一毫米大小的尘埃在被阳光照射一毫秒后,其位置就会被“铭刻”在散射光子中约一亿次。

正因为有这种信息冗余,客观的、经典的属性才得以存在。十个观察者同时测量尘埃的位置并互相一致,是因为每人都能获取到该信息的一份副本。这颗尘埃有一个客观的“位置”属性不是因为它原本就“拥有”一个位置,而是因为它的“位置态”可以产生许多相同的副本,让不同的观察者达成共识。

此外,你不需要监视整个环境才能获取大部分有效信息——监视一小部分环境获取的信息量,在你扩大监视范围后并没有明显的提升。Riedel说,“我们获取到的信息量会迅速达到饱和。”

贝尔法斯特女王大学的物理学家Mauro Paternostro解释道,这种信息冗余是QD独有的特点,这一特性刻画了从量子到经典的转变。

西班牙塞维利亚大学的理论物理学家Adán Cabello说,QD挑战了以往认为经典世界不能被量子理论描述的说法,恰恰相反,量子理论能完美描述经典世界是如何涌现的。

然而,关于有多完美,大家各执一词。有的研究者认为退相干和QD已经完全解释了量子-经典转变,但虽然它们尽力解释了为何量子叠加会消失和为何能残留下经典属性,仍然剩下一个问题:为何测量结果只有一个?当粒子的某一个特定位置被选择出来,它的其他可能性到哪里去了?后者也是真实的吗?研究者们被迫采用量子力学的哲学诠释,恰恰就是因为没人能想出一个从实验上回答这个问题的办法。

来到实验室

量子达尔文主义从纸上看还挺诱人的,但直到最近它才不再停留在纸上。去年,三组团队分别独立测试了QD的关键特征:一个量子系统是如何将自身的副本“铭刻”在周围环境里的?

当然,想要监视无数空气分子环绕的一颗尘埃,实验上是做不到的,三组中的两组团队人为地制造了只由少数粒子构成的“人工环境”。一组人是Paternostro及在罗马大学的合作者,另一组人是量子信息专家潘建伟和在中科大的共同作者,两组人都使用单个光子作为被测的量子系统,用寥寥可数的其他光子作为与之相互作用并传出信息的“环境”。

两组人都是将激光光子射入一系列光学仪器,使光子间发生纠缠,最后从“环境”光子中读出“系统”光子的指针态(这里用的是它的偏振态)。

QD的核心预测正是“饱和效应”:只需监测少数几个环境粒子,就应该足以获取该量子系统的基本上所有信息。潘建伟说,“交互环境的一小部分就足以提供关于被测系统的最大经典信息。”

两组人的实验都确认了这一点:仅仅测量一个“环境”光子就揭示了“系统”光子偏振的许多信息,而继续测量更多的“环境”光子所能获得的信息量则逐步减少。潘建伟解释,单独一个光子也能叫做环境,只要它和被测光子的相互作用足够强,就能使被测光子发生退相干和选择效应。假如两者相互作用较弱,就需要监视更大的环境。

QD的第三个实验,是德国乌尔姆大学的量子光学物理学家Fedor Jelezko与Zurek等人合作完成的。他们用了很不同的系统和环境:用一个氮原子替代钻石晶格当中的一个碳原子的位置,即所谓氮空穴缺陷。氮原子比碳原子多一个电子,多出来的电子就无法和周围碳原子形成化学键,于是就该电子就像孤零零的一个箭头,可以自旋向上、向下或者处于叠加态。

该自旋可以和钻石晶格中约占0.3%的碳13同位素发生磁相互作用,因为碳12核没有自旋,而碳13核有。平均下来,每个氮空穴自旋都和距离它1纳米以内的4个碳13自旋发生强耦合。

研究者们用激光和无线电脉冲进行控制和监视,由此测量氮电子自旋的变化是如何记录在环境的碳13核自旋的变化中的。根据他们上年9月的论文预印本,他们也观察到了QD预言的特征信息冗余:氮自旋有众多副本被记录在环境里,并且环境监视范围扩大时我们获取的信息迅速饱和。

Zurek说,光子实验里生成信息副本的方式是人为的,而不是让自然来选择出真正免疫退相干的指针态,实验者自己就钦定了指针态。相反,钻石环境才真正探出了指针态。Zurek补充说,钻石实验也有环境大小导致的问题,但至少这是天然的。

推广量子达尔文主义

QD还算成功,Zurek说,迄今的研究都得到和期待差不多的结果。

Riedel说他难以想象会有别的实验结果,从他看来,QD只不过是将标准的量子力学很小心很系统地应用在系统环境交互上而已。尽管大部分量子测量实验都无法做得这么彻底,但只要你让实验足够简化,预测的结果是很显然的。他说:“QD基本上就像是量子理论自身的一个内部自洽性检查。”

但尽管这些研究都和QD保持一致,它们还不足以说明QD就是经典行为如何涌现的唯一解释,也不能证明QD是完全正确的。Cabello说,这三个实验都只是实际环境的极度简化版,而且,这些实验也不足以排除掉解释经典行为如何涌现的其他理论。例如有一个理论叫“谱广播”(spectrum broadcasting),是QD的一种推广……(下略)

研究者们还在尝试做更好的量子测量实验,因为这是非常有益的练习,想要直接检测QD就要继续将实验技巧和能力推到极致。唯一能解答“测量”究竟意味着什么的途径,就是做更好更精细的测量。


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来自:悲壮的尼古拉斯  > 科学
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