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量子达尔文主义:不确定的微观量子世界,如何演变成确定的宏观经典世界?

      在微观亚原子粒子世界,一个粒子没有一个确定的位置,只有无数模糊的概率云,概率性取代确定性。不确定的微观量子世界,如何演变成确定的宏观经典世界?哥本哈根提出“波函数坍塌”解释,认为波函数是代表量子领域的发展状态,以概率的形式呈现。思想实验“薛定谔猫”也试图为量子世界与经典世界搭建一座桥梁。可是“波函数坍塌”和“薛定谔猫”都是现象描述,解释不了量子力学的不确定和宏观物理的确定性之间的联系。

      微观世界的量子物理学,遵循“不确定性”原理,宏观世界的经典物理学,追求的却是“确定性”。量子力学如何把粒子或其它微观系统与其周围环境的相互作用演化成经典力学?“量子与经典”之间有一个中间过程吗?

     20世纪90 年代,波兰裔美国物理学家沃伊切赫·祖瑞克(Wojciech Zurek )教授基于“环境退相干”等理论,首次提出量子达尔文主义,旨在统一“微观世界的量子理论”和“宏观世界的经典理论”之间的矛盾。量子达尔文主义认为,经典物理学中物体的定态性质之所以有着“确定”的时空属性,例如位置和速度,是在量子力学中被“选择”出来的,就像自然选择一样。

      祖瑞克认为:环境之于“量子系统和观察者”之间,相当于信息的通道,量子系统的各个状态的叠加会通过这样的信息通道传递给观察者,而环境的特点就决定了哪些信息会被传递到观察者,传递最多次的信息就成为了我们经典世界中的物理规律,即是量子状态到宏观经典物理的转变。

      按Riede的说法,在某些简单的、理想化的量子系统里面,信息会“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。”按照Riede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。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。

      最近,中国的研究团队采用固态激光器发射一个单光子形成简单的量子系统,并用其他光子构成量子系统的环境,通过获取环境的信息来进行实验验证“量子达尔文主义”。

      实验仅仅检测一个充当环境的光子,就能获得相当多的关于单光子系统极化的信息。检测多个光子的信息之后,获得的信息也大致相同。这与量子达尔文主义的阐述相符合。而祖瑞克表示,实验本身只是对量子达尔文主义的一个模拟近似结果。潘建伟解释道:实验中任何细小的环境扰动都能够对观察的系统造成巨大的影响,提供能观测到的经典物理学信息。

来自中国、意大利和德国的研究小组分别独立地完成了“量子达尔文主义”实验验证

      当然,这个实验并没有证明或者解释量子物理和经典物理的转换,也没有将经典物理规律出现的其他可能证伪。

      量子达尔文主义,提供了“量子-经典转换”新的可能性解释。但依然面临众多无法解释的难题。例如,一个量子系统是如何将自身的副本“铭刻”在周围环境里的?

      量子达尔文主义的核心在于“测量”的概念。“量子与经典”之间会因为一个微弱的感测事件,而发生如此剧烈的突变?问题不可怕,可怕的是连问题都提不出来。好的问 题,其实就是答案的一半。

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