[新聞] 量子達爾文主義迎首次驗證！潘建偉等科

[bulls0722 (asdf)]

https://m.news.sina.com.tw/article/20190805/32200592.html

達爾文、愛因斯坦，如果將這兩人的智慧碰撞在一起，會得到什麼？

一種名為「量子達爾文主義」的理論可以視為這樣的一個成果。

這個理論由波蘭裔美國物理學家沃伊切赫·祖瑞克（ Wojciech Zurek ）教授提出。祖瑞
克教授在上個世紀 90 年代開始研究量子力學，基於「環境退相關（Environmental De
coherence）」等理論，他首次提出量子達爾文主義，旨在統一微觀世界的量子理論和宏
觀世界的經典物理理論之間的矛盾（這些矛盾經過長足的討論甚至已經跨越到哲學領域
），並相繼在 PRL 和Nature Physics頂級物理學期刊上發文，向世人展示這一神奇的
理論。

簡而言之，「量子達爾文主義」認為，我們熟知的經典物理學中物體的定態性質之所以
有著「確定」的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被「選擇」出來的，
就像自然選擇一樣。

儘管理論形成已久，但量子達爾文主義直到最近一年才得到實驗驗證，來自中國、義大
利和德國的研究小組分別獨立地完成了自己的驗證。其中一個驗證試驗由中國科學家潘
建偉所帶領的團隊完成。

隨著這些驗證的實現，統一微觀和宏觀的新的可能性正在人類文明面前徐徐展開。

說起量子物理，我們通常會聯繫到「玄學」，很大程度上是因為人們的日常生活並不能
感受到量子力學的存在。在 20 世紀之前，以牛頓力學為代表的經典物理學原理統治著
人們對於物理世界的理解，人們相信任何事物在確切的時間就要有確切的位置。

直到馬克思·普朗克（Max Planck）、阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、尼爾斯
·玻爾（Niels Bohr）、沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg）等量子力學先驅
相繼建立量子力學的基礎，開啟了量子力學這一神奇的領域。

他們通過一系列存在於原子和亞原子尺寸的神奇現象，宣告經典物理在微觀世界的失效
，並推演出許多量子力學的經典理論。

可以說，概率、不確定以及狀態疊加是量子力學的主題。例如，無法給電子（或其他微
小粒子）定義一個確定的位置，只有可能確定電子有多少概率出現在一系列地方，所以
我們用「電子云」定義原子核外電子的位置。

一句話概括，統治微觀世界的量子物理，遵循「不確定性」原理，解釋宏觀世界的經典
物理學，追求的卻是「確定性」。

兩者的相悖，帶來了一個終極拷問似的命題：現實世界是由一個一個原子組成的，遵循
的是經典物理學的原理，而在原子層面上考慮，遵循的是量子力學，二者是如何統一在
一起的？又或者說，原子尺寸下的量子力學如何集中體現出經典物理學的原理的？

物理學家將這樣的突變稱為「量子-經典轉換」。但事實上，不同尺度大小的世界會遵循
不一樣的基本原理，抑或這兩者之間本不應該存在如此劇烈的突變過渡，都還一直是理
論上的各執一詞。

達爾文的理論怎麼跑到量子領域了？

在過去的好幾十年裡，科學家不斷地在嘗試解釋，量子力學如何通過粒子或其它微觀系
統與其周圍環境的相互作用而不可避免地演化成經典力學的，並取得了很多了不起的理
論成就。

最經典的解釋就是「哥本哈根解釋（Copenhagen Interpretation）」，此理論集合了幾
位物理學家的觀點，其主要的焦點就是「波函數坍塌」。其中，哥本哈根解釋認為波函
數是代表量子領域下事物的發展狀態，它以概率的形式呈現，就像撒貝南在「吐槽大會
」中說的快遞中的電子產品，其狀態就是一個波函數，有百分之五十的可能是好的，百
分之五十是壞的，整個狀態就是「百分之五十是好的，百分之五十是壞的」的狀態疊加
。

想要知道快遞中的電子產品是好還是壞，需要打開這個盒子查看，當我們查看的時候，
電子產品的狀態才會從兩個可能性——好或壞——變成確定的狀態，這也就是波函數的
坍塌。

歷史上，還有一個著名的思想實驗「薛定諤的貓」，說的是同一個原理。

通過這兩個例子，我們不難看出，在量子力學中的量子系統，一般無法用一個確定的狀
態描述它們，只能用多種可能狀態及其分別的可能性一起來描述它們。此外，想要確切
地確定系統的狀態必須要進行測量，而測量本身可能就會對結果產生影響，而造成「波
函數坍塌」。其實，「波函數坍塌」這一理論還解釋了量子力學的不確定和宏觀物理的
確定性之間的聯繫。

在此，我們再回憶一下這個聯繫是怎樣建立的：以快遞為案例，它是通過拆快遞並查看
建立的吧。在「哥本哈根解釋」中，這稱為經典儀器的測量，而這種測量會對系統的不
確定度產生影響。

隨之而來的問題是，為什麼儀器測量時，系統波函數會坍縮，又是以怎樣的規律坍縮的
？

又有很多物理學家嘗試解釋這樣的現象，其中最有代表性的理論就是量子達爾文主義。


正如文章開頭所言，「量子達爾文主義」認為，宏觀世界、經典物理學中物體有「確定
」的時空屬性，例如位置和速度，其實是在量子力學中被「選擇」出來的，就像自然選
擇一樣。

這些被選擇出來的性質，在某種意義上來說是最合適的。正如自然選擇中，被選擇的物
種能夠最大程度地「複製」自己，那麼被選擇的性質也是如此。存在於或者說適用於經
典物理學的性質和原理，應該是無窮多個獨立的觀察者觀察量子系統都能夠得到的。

其次，根據達爾文的進化論和自然選擇學說，物種的進化或者是特點是和其環境息息相
關的，存在的物種一定是適合環境的。

也就是說，我們可以通過環境獲悉物種的相關信息，例如沙漠中的生物一定很耐旱，冰
原上的生物一定都很扛凍等。那麼映射到量子達爾文主義中，環境也充當了十分重要的
角色，祖瑞克認為，環境之於量子系統和觀察者之間相當於信息的通道，量子系統的各
個狀態的疊加會通過這樣的信息通道傳遞給觀察者，而環境的特點就決定了哪些信息會
被傳遞到觀察者，傳遞得最多次的信息就成為了我們經典世界中的物理規律，而這也就
是量子狀態到宏觀經典物理的轉變。

三組團隊獨立實驗，首次揭開神秘面紗

那麼，這種聽上去神乎其神的理論，究竟意味著什麼？

最近的一年內，量子達爾文主義迎來了首批實驗驗證，來自中國、義大利和德國的研究
小組分別獨立地完成了自己的驗證，幫助我們一探究竟。從上面的介紹我們已經知道，
環境對於量子系統顯現出來的性質是有影響的，而能被我們觀測的經典物理性質就應該
是觀察過程中重複性最高的信息。

因此，三個團隊的目標很一致，都是為了尋找量子系統中能夠被重複觀測的信息，類似
於尋找自然選擇中存在最多的物種，並以此驗證量子達爾文主義。

這是科學家在實驗驗證量子達爾文主義上踏出的第一步，但是可能是最重要的一步，因
為，他們認為量子達爾文主義可能就是正確的方向，能夠解釋我們堅固的現實是怎樣從
量子力學領域提供的眾多選項中凝聚起來的。

其中，中國的團隊由中國科技大學潘建偉教授和陸朝陽教授領銜，他們和義大利的研究
團隊不謀而合。技術實現上，採用的都是固態激光器發射一個單光子形成簡單的量子系
統，並用其他光子構成量子系統的環境，通過獲取環境的信息來進行實驗驗證。實驗的
細節和相關理論推演以論文的形式發表在了 Science Bulletin 上。

實驗中，他們先將單光子量子系統和環境光子通過光學器件耦合在一起，然後對環境光
子進行檢測，來查看有哪些有關單光子量子系統的信息，具體而言在此例中，他們檢測
的是光子的極化（其電磁場的振動方向）。

根據 Quanta 的報導，潘建偉解釋道，實驗中任何細小的環境擾動都能夠對觀察的系統
造成巨大的影響，提供能觀測到的經典物理學信息。而實驗結果正如他所說，僅僅檢測
一個充當環境的光子就能獲得相當多的關於單光子系統極化的信息，而檢測多個光子的
信息之後，獲得的信息也大致相同，這與量子達爾文主義的闡述相符合。

來自德國烏爾姆大學的研究小組採用的是另一種實驗設置。值得一提的是，該小組由光
量子物理學家費多·傑列茲科（Fedor Jelezko）教授領銜。在研究過程中，傑列茲科和
量子達爾文主義的提出者祖瑞克有很緊密的聯繫。

在這個團隊的實驗過程中，他們採取的也是「量子系統+環境監測」的結構。首先傑列茲
科團隊通過將鑽石中一個碳原子替換成氮原子，組成量子系統。具體而言，由於氮原子
比碳原子要多一個電子，在氮原子和碳原子成鍵之後，多出來的這個電子就不能在鑽石
晶格中成鍵，它成為了「孤獨」的個體，擁有著自旋的自由度，頭朝上或朝下。這就構
成了一個典型的量子系統，因為它的狀態是不確定的，是兩種狀態可能性的疊加。

然而，這個孤獨電子的自旋狀態，能夠以磁的形式和該鑽石晶格中大約 0.3% 的碳原子
核發生交互。其實，這 0.3% 的碳原子核就是「碳 13」，碳的同位素之一，區別於常見
的「碳 12」，「碳 13」的自然含量要小得多，大約就是0.3%，而其原子核內部結構也
略有不同，它比「碳 12」多一個中子。傑列茲科指出，大約每個「孤獨電子」都會和附
近的 4 個「碳 13」原子核耦合在一起，距離大約在1納米之內。

實驗設置完成，「孤獨的電子」成為量子系統，而在其周圍的「碳13」原子核成為檢測
的環境。

接下來的事只需要改變數子系統的狀態——在此例中就是利用激光改變「孤獨的電子」
的自旋方向，再檢測環境中的「碳 13」原子核就可以驗證量子達爾文主義了。在該團隊
去年9月份的文章初稿中，他們表示觀測到了如同量子達爾文主義闡述的現象：「孤獨的
電子」的自旋方向被環境記錄下來，而且檢測更多的「碳 13」原子核，得到的信息越接
近。

對這樣的實驗結果，祖瑞克表示，實驗本身只是對量子達爾文主義的一個模擬近似結果
。

可以說，實驗驗證了量子系統的狀態與環境之間的關係，對於量子達爾文主義也是支持
的，但是我們很難說這些實驗完全證明了量子達爾文主義的正確性。因為，這些實驗還
是沒有證明或者解釋量子物理和經典物理的轉換，也沒有將經典物理規律出現的其他可
能證偽。或許我們最需要的還是更加先進的檢測設備，先進到能夠檢測量子系統的狀態
改變，並且能分辨不同理論闡述之間的分別。

如今，我們還無法辨別量子達爾文主義的真偽，它的存在還是遵循量子力學的理論一樣
，亦真亦假。物理學家所做的也只能是不斷求真，不斷地將其真偽性更加明晰，最終量
子達爾文主義的真偽才會「坍塌」為一種情況。

另外，量子達爾文主義離主流學說仍有距離，這從其相關的文章發表的學術期刊能側面
瞥見一二。但是，量子達爾文主義確實提供了「量子-經典轉換」的可能的解釋，只能對
今後相關的研究成果拭目以待了，就像潘建偉團隊在文章中寫的，這是驗證量子達爾文
主義的第一步，今後還會有更多的成果湧現。


--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 42.73.107.94 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1565600589.A.CBA.html
→ webster1112: 有中國特色的研究跟報導
→ Eriri: 這跟中國特色有什麼關係？ 量子達爾文主義是著名理論物理
→ Eriri: 學家Zurek提出的
推 aromaQ626: 1樓應該指的是一些慣用詞彙 不是理論內容吧
→ fnbest: 不就是退相干理論嗎?除了多達爾文三個字 到底有多說什麼?
→ fnbest: 自然選擇跟環境影響在物理上難道不是同一件事嗎? 說的真玄
→ Eriri: 退相干只能解釋 為什麼量子態經過測量之後 會跌落在一些特
→ Eriri: 定的狀態 沒有完整說明 為什麼剛好會是這些特定的狀態
→ Eriri: 用薛丁格的貓來舉例 薛丁格的貓可以是生跟死各一半可能性
→ Eriri: 的疊加態 可是其實生跟死的疊加態 數學上可以用各種基底展
→ Eriri: 開 所以數學上存在很多種算符 經過這個算符的量測玩之後
→ Eriri:  原本的疊加態還是退相干（塌陷）到另一個生跟死的疊加態（
→ Eriri: 只是可能生跟死的機率不同）
推 Eriri: 當然 對很多人來說其實這不是問題 因為生跟死的算符才是日
→ Eriri: 常古典經驗的算符 所以可能從未問過這些問題 但Zurek不是這
→ Eriri: 樣的人 就好像很多人一開始就很滿意哥本哈根詮釋 對於波函
→ Eriri: 數量測之後直接塌陷 一點問題都沒有 而退相干理論就是來自
→ Eriri: 那些覺得哪裡怪怪的人所建立與完善的
→ Eriri: 所以 為什麼像是生跟死這樣的某類算符比較特別 這就是Zurek
→ Eriri: 想要從無到有 重新建立微觀機制 來回答的問題
→ Eriri: 對這有興趣的 可以去看看Zurek的文章 有幾篇是相當科普等
→ Eriri: 級的 這一系列的工作 很多都是Zurek自己很早的時候就一路
→ Eriri: 堅持 開拓與補足的 直到後來才得到重視 本來他大可可以做
→ Eriri: 些比較沒有爭議 或者數學看起來更乾淨 已經有數學模型而不
→ Eriri: 必碰到基本問題的領域 （事實上 他有些關於凝態理論的工作
→ Eriri: 也小有名氣）但他還是一路堅持
→ Eriri: https://reurl.cc/aQQe9
→ Eriri: 或者參考wiki https://reurl.cc/jxxo2
推 fnbest: 生和死這種古典的說法根本沒有量子對應 如何定義量子算符?
→ fnbest: 古典經驗只是人類感官的近似結果 從不能代表真正物理過程
→ fnbest: 量測本來就有許多面向 量子力學用不同基底來呈現這些面向
推 fnbest: 量子力學方程當然能回答你 為何會落在某些特定的狀態 只要
→ fnbest: 能給定完整的所有物理條件 唯一量子力學無法說明的是
→ fnbest: 所有可能的特定狀態最後演化到只剩一種狀態的過程是隨機的
→ fnbest: 我見識淺薄 如果這位學者的理論能說明這種隨機性的來由
推 fnbest: 而且是令人信服的說法 那的確會是一個很重大的突破
推 Eriri: 生與死只是一直譬喻
→ Eriri: 你可以用自旋上與下來取代推文裡的生與死 也是一樣
→ Eriri: 這位學者citation已經四萬多次了 這些內容早就出現在很多量
→ Eriri: 子光學跟開放量子系統的教科書
推 Eriri: 傳統量子力學的教科書 只能說明 給定某個算符 它的eigenbai
→ Eriri: s就會是量測的結果 任何系統在沒量測前可以看作是這些eigen
→ Eriri: basis的疊加態 量測後塌陷到某一個eigenstate
→ Eriri: 但是他並沒有說明 為什麼是某些eigenbais比較重要 或者常出
→ Eriri: 現在現實世界的量測之中 而不是另外一些
推 Eriri: 當然 其實整套理論並沒有真的超過量子力學的框架 Zurek只是
→ Eriri: 把這些過程說的更細緻 並且統整化一些一般性的名詞與概念
→ Eriri:  諸如pointer basis, einselection...等等 最後他把這整套
→ Eriri: 稱作所謂的量子達爾文主義
推 fnbest: 只要你能給定完整的環境描述 量子力都告訴你為什麼
→ fnbest: 量子力學唯一無法告訴你的就是量子內秉隨機性怎麼來的
推 Eriri: 那麼你在問的是另外一個問題 我在回答的卻是這位學者跟這
→ Eriri: 個研究到底是什麼
推 fnbest: 了解 可能這是科普報導文章吧 我無法精確理解他在講什麼
→ fnbest: 感謝你的說明
推 KBmax: 我自己也覺得這個問題很有趣，只是對量子達爾文主義這名字
→ KBmax: 有點感冒...有點太哲學到不太物理（名字的部分），很像平
→ KBmax: 行宇宙多重世界觀這種東西XD
推 psion: 我知道的幾位理論物理大師都對多重世界量子論有所貢獻
→ Eriri: 其實量子達爾文主義 已經是對於傳統教科書中量子力學的基
→ Eriri: 本原則 非常保守的修正理論了 沒有在哲學上改變哥本哈根詮
→ Eriri: 釋太多 只是在對波函數塌陷跟測量問題做細部過程的修正
→ Eriri: 有些理論物理大師是更加激進 像是't Hooft 當代最偉大的理
→ Eriri: 論物理學家之一 這十來年都在研究量子力學的根本 他的理論
→ Eriri: 甚至根本就反對量子力學的隨機性 （他有他的argument來規
→ Eriri: 避bell inequality)
→ Eriri: 當然 目前這世界上大概也只有't Hooft自己在認真看待自己
→ Eriri: 的理論 但像他這樣 作為研究場論拓墣跟相變最早的權威之一
→ Eriri:  其實真要做些更乾淨 更不會引起爭議 更容易被引用的工作
→ Eriri:  根本就輕而易舉（現在有些所謂的凝態理論大師 有時候其實
→ Eriri: 不過就是在延伸跟應用他七八零年代很多工作的觀念跟方法）
→ Eriri:  但他這種程度的物理學家 當然不屑做這種事 有時候還是要
→ Eriri: 有些人來認真思考這種有點哲學的工作
→ wohtp: 't Hooft這輩子已經不需要再生paper了，也只有他這樣的大牌
→ wohtp: 可以全心去搞這種基礎理論吧。
→ Eriri: 當然是這樣啊 我也只是想說 這些基礎的東西 也許還是需要
→ Eriri: 有人去做 至少像是‘tHooft這樣的人物 並不會覺得這是沒有
→ Eriri: 新意的問題 只是也許一般人沒有辦法像他一樣 有心力去欣賞
→ Eriri: 跟做好
→ Eriri: 而且 這世界上也許有更多 是明明其實再生產paper也沒有意義
→ Eriri:  沒有必要但卻還是繼續在生產paper的物理學家
推 sputtering: 我知道這個工作的問題在哪裡了
→ sputtering: 如果把光子換成中微子可能跟環境就沒甚麼關係
→ sputtering: 其實德布羅伊物植波理論是依照光波也有粒子性而來的
→ sputtering: 物質波就是這一類的猜測，但物質波在大尺度就非常小
→ sputtering: 量子理論跟進化論跟本上的區別在於進化論前後都是存在
→ sputtering: 的但量子力學的疊加態根本不是一種存在，所以我的量子
→ sputtering: 觀點中沒有波塌縮這種觀點，我的觀點比較接近
→ sputtering: position及occupy這類的觀點或者projection這類
→ sputtering: 換句話說疊加態可以視為一個positione觀察就是occupy
→ sputtering: 我沒有那種波塌縮的想法，只要你有一點機率波的概念
→ sputtering: 就知道量子力學本質是機率而不是波