達(dá)爾文和愛(ài)因斯坦，如果這兩個(gè)人的智慧碰撞，你會(huì)得到什么？

一種稱(chēng)為量子達(dá)爾文主義的理論可以被視為這樣的結(jié)果。

該理論由波蘭裔美國(guó)物理學(xué)家沃伊切赫·祖雷克教授提出。 Zurek 教授于20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始研究量子力學(xué)?；诃h(huán)境退相干等理論，他首次提出量子達(dá)爾文主義，旨在統(tǒng)一微觀世界的量子理論和宏觀世界的經(jīng)典物理理論。矛盾（這些矛盾經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的討論甚至跨入了哲學(xué)領(lǐng)域），并先后在頂級(jí)物理期刊PRL和NaturePhysics上發(fā)表文章，向世人展示這一神奇的理論。

（來(lái)源：自然物理學(xué)）

簡(jiǎn)而言之，量子達(dá)爾文主義認(rèn)為，我們所熟悉的經(jīng)典物理中物體的靜止特性，具有確定的時(shí)空特性，例如位置和速度，實(shí)際上是在量子力學(xué)中選擇的，就像自然選擇一樣。相同的。

盡管該理論已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，但量子達(dá)爾文主義直到去年才得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，來(lái)自中國(guó)、意大利和德國(guó)的研究小組獨(dú)立完成了自己的驗(yàn)證。其中一項(xiàng)驗(yàn)證測(cè)試是由中國(guó)科學(xué)家潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)完成的。

隨著這些驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)，微觀與宏觀統(tǒng)一的新可能性正在人類(lèi)文明面前徐徐展開(kāi)。

（來(lái)源：廣達(dá)）分裂突變的微觀與宏觀

在談?wù)摿孔游锢頃r(shí)，我們通常將其與形而上學(xué)聯(lián)系在一起，很大程度上是因?yàn)槿藗冊(cè)谌粘Ｉ钪袩o(wú)法感受到量子力學(xué)的存在。 20世紀(jì)之前，以牛頓力學(xué)為代表的經(jīng)典物理原理主導(dǎo)了人們對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)。人們相信一切事物都必須在準(zhǔn)確的時(shí)間有準(zhǔn)確的位置。

直到馬克斯·普朗克、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦、尼爾斯·玻爾、維爾納·卡爾·海森堡等量子力學(xué)先驅(qū)相繼奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)，開(kāi)辟了量子力學(xué)的神奇領(lǐng)域。

他們通過(guò)原子和亞原子維度存在的一系列神奇現(xiàn)象，宣告了經(jīng)典物理學(xué)在微觀世界的失敗，并推導(dǎo)出了許多量子力學(xué)的經(jīng)典理論。

可以說(shuō)，概率、不確定性和狀態(tài)疊加是量子力學(xué)的主題。例如，不可能定義電子（或其他微小粒子）的明確位置。只能確定電子出現(xiàn)在一系列位置的概率，因此我們使用電子云來(lái)定義原子核外電子的位置。

圖丨電子云模型（來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)）

一句話，支配微觀世界的量子物理學(xué)遵循不確定性原理，而解釋宏觀世界的經(jīng)典物理學(xué)則追求確定性。

兩者之間的矛盾帶來(lái)了一個(gè)終極拷問(wèn)般的命題：現(xiàn)實(shí)世界是由原子組成的，遵循經(jīng)典物理原理，而從原子層面考慮，則遵循量子力學(xué)。兩者是如何統(tǒng)一在一起的呢？或者說(shuō)，原子尺度的量子力學(xué)是如何體現(xiàn)經(jīng)典物理原理的？

物理學(xué)家將這種突變稱(chēng)為量子經(jīng)典躍遷。但事實(shí)上，對(duì)于不同尺度的世界是否會(huì)遵循不同的基本原則，或者兩者之間是否不應(yīng)該出現(xiàn)如此劇烈的突然轉(zhuǎn)變，理論上一直存在分歧。

達(dá)爾文的理論是如何到達(dá)量子領(lǐng)域的？

過(guò)去幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直試圖解釋量子力學(xué)如何通過(guò)粒子或其他微觀系統(tǒng)與周?chē)h(huán)境的相互作用不可避免地演化為經(jīng)典力學(xué)，并取得了許多令人矚目的理論成就。

最經(jīng)典的解釋是哥本哈根解釋。該理論綜合了多位物理學(xué)家的觀點(diǎn)，其主要焦點(diǎn)是波函數(shù)的塌縮。其中，哥本哈根解釋認(rèn)為，波函數(shù)代表了量子領(lǐng)域事物的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并以概率的形式呈現(xiàn)。正如撒貝寧在吐槽大會(huì)上所說(shuō)，電子產(chǎn)品在快遞中的狀態(tài)是一個(gè)波函數(shù)，百分之五十可能好，百分之五十可能壞。整個(gè)狀態(tài)是百分之五十好的和百分之五十壞的疊加。

如果想知道快遞中的電子產(chǎn)品好壞，需要開(kāi)箱檢查。當(dāng)我們檢查時(shí)，電子產(chǎn)品的狀態(tài)會(huì)從兩種可能的狀態(tài)：——好或壞——，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N確定的狀態(tài)，即波函數(shù)的崩潰。

歷史上，還有一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)，叫薛定諤的貓，講的也是同樣的原理。

通過(guò)這兩個(gè)例子不難看出，量子力學(xué)中的量子系統(tǒng)一般不能用某種狀態(tài)來(lái)描述。它們只能通過(guò)多種可能的狀態(tài)及其各自的可能性來(lái)描述。此外，為了準(zhǔn)確確定系統(tǒng)的狀態(tài)，必須進(jìn)行測(cè)量，而測(cè)量本身可能會(huì)影響結(jié)果，導(dǎo)致波函數(shù)崩潰。事實(shí)上，波函數(shù)塌縮理論也解釋了量子力學(xué)的不確定性與宏觀物理的確定性之間的聯(lián)系。

這里我們回憶一下這個(gè)連接是如何建立的：以快遞為例，是通過(guò)拆開(kāi)快遞檢查來(lái)建立的。在哥本哈根解釋中，這稱(chēng)為經(jīng)典儀器的測(cè)量，這種測(cè)量對(duì)系統(tǒng)的不確定性有影響。

接下來(lái)的問(wèn)題是，為什么儀器測(cè)量時(shí)系統(tǒng)波函數(shù)會(huì)塌縮，又是如何塌縮的？

許多物理學(xué)家試圖解釋這一現(xiàn)象，最具代表性的理論是量子達(dá)爾文主義。

正如文章開(kāi)頭提到的，量子達(dá)爾文主義認(rèn)為，宏觀世界和經(jīng)典物理中的物體具有一定的時(shí)空屬性，比如位置和速度，這些時(shí)空屬性實(shí)際上是在量子力學(xué)中選擇的，就像自然選擇一樣。

從某種意義上說(shuō)，這些選定的屬性是最合適的。正如在自然選擇中一樣，物種被選擇是為了最大程度地繁殖自己，選擇的特性也是如此。經(jīng)典物理學(xué)中存在或適用于經(jīng)典物理學(xué)的性質(zhì)和原理應(yīng)該可以通過(guò)觀察量子系統(tǒng)的無(wú)限多個(gè)獨(dú)立觀察者來(lái)獲得。

其次，根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論和自然選擇理論，物種的進(jìn)化或特征與其所處的環(huán)境密切相關(guān)，現(xiàn)有的物種必須適應(yīng)環(huán)境。

換句話說(shuō)，我們可以通過(guò)環(huán)境了解物種的相關(guān)信息。例如，沙漠中的生物必須非常耐旱，冰原上的生物必須非常耐寒。映射到量子達(dá)爾文主義，環(huán)境也起著非常重要的作用。祖雷克認(rèn)為，環(huán)境相當(dāng)于量子系統(tǒng)與觀察者之間的信息通道。量子系統(tǒng)的各種狀態(tài)的疊加都會(huì)通過(guò)這樣的信息。信道傳輸給觀察者，環(huán)境的特性決定了哪些信息將傳輸給觀察者。傳輸次數(shù)最多的信息成為我們經(jīng)典世界的物理定律，這就是從量子態(tài)到宏觀經(jīng)典物理的轉(zhuǎn)變。改變。

三支團(tuán)隊(duì)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)首次揭開(kāi)謎底

那么，這個(gè)聽(tīng)起來(lái)很神奇的理論到底意味著什么呢？

去年，量子達(dá)爾文主義首次得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。來(lái)自中國(guó)、意大利和德國(guó)的研究小組已經(jīng)獨(dú)立完成了自己的驗(yàn)證來(lái)幫助我們找到答案。從上面的介紹我們已經(jīng)知道環(huán)境對(duì)量子系統(tǒng)的性質(zhì)有影響，而我們能夠觀測(cè)到的經(jīng)典物理性質(zhì)應(yīng)該是觀測(cè)過(guò)程中最可重復(fù)的信息。

因此，三個(gè)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是一致的，那就是尋找量子系統(tǒng)中可以重復(fù)觀察到的信息，類(lèi)似于自然選擇中尋找最多存在的物種，驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義。

這是科學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義的第一步，但這可能是最重要的一步，因?yàn)樗麄兿嘈帕孔舆_(dá)爾文主義可能是解釋我們的固體現(xiàn)實(shí)如何從量子力學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的正確方向。從許多可用的選項(xiàng)中。

（來(lái)源：陸朝陽(yáng)/廣達(dá)）

其中，中國(guó)團(tuán)隊(duì)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授、陸朝陽(yáng)教授領(lǐng)銜，與意大利研究團(tuán)隊(duì)重合。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，利用固態(tài)激光器發(fā)射單個(gè)光子形成簡(jiǎn)單的量子系統(tǒng)，利用其他光子形成量子系統(tǒng)的環(huán)境，并通過(guò)獲取環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和相關(guān)理論推論以論文形式發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》上。

實(shí)驗(yàn)中，他們首先通過(guò)光學(xué)器件將單光子量子系統(tǒng)與環(huán)境光子耦合起來(lái)，然后對(duì)環(huán)境光子進(jìn)行探測(cè)，看看單光子量子系統(tǒng)有哪些信息。具體來(lái)說(shuō)，在這種情況下，他們檢測(cè)到的是光子的偏振（其電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向）。

據(jù)廣達(dá)報(bào)道，潘建偉解釋說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中任何微小的環(huán)境擾動(dòng)都可能對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，提供可觀測(cè)的經(jīng)典物理信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如他所說(shuō)，僅僅檢測(cè)一個(gè)充當(dāng)環(huán)境的光子就可以獲得相當(dāng)多的單光子系統(tǒng)的偏振信息，而檢測(cè)多個(gè)光子的信息后，獲得的信息大致相同，這與量子達(dá)爾文主義是一致的。與描述一致。

圖丨德國(guó)烏爾姆大學(xué)物理學(xué)家Fedor Geretsko教授（來(lái)源：烏爾姆大學(xué)/Quanta）

德國(guó)烏爾姆大學(xué)的一個(gè)研究小組使用了不同的實(shí)驗(yàn)裝置。值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)由光學(xué)量子物理學(xué)家Fedor Jelezko 教授領(lǐng)導(dǎo)。在研究過(guò)程中，德里茲科與量子達(dá)爾文主義的提出者祖雷克關(guān)系密切。

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也采用了量子系統(tǒng)+環(huán)境監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)。首先，Gerezko 的團(tuán)隊(duì)通過(guò)用氮原子取代鉆石中的碳原子形成了一個(gè)量子系統(tǒng)。具體地，由于氮原子比碳原子多一個(gè)電子，因此氮原子與碳原子成鍵后，多余的電子無(wú)法在金剛石晶格中形成鍵。它成為一個(gè)孤獨(dú)的個(gè)體，有自己的旋轉(zhuǎn)自由度，可以抬頭或低下。這構(gòu)成了一個(gè)典型的量子系統(tǒng)，因?yàn)樗臓顟B(tài)是不確定的，并且是兩種可能狀態(tài)的疊加。

然而，該孤電子的自旋態(tài)能夠與金剛石晶格中大約0.3% 的碳核發(fā)生磁性相互作用。事實(shí)上，這0.3%的碳核是碳13，碳的同位素之一。與常見(jiàn)的碳12不同，碳13的天然含量要小得多，約為0.3%，而且其核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也略有不同。它比碳12多一個(gè)中子。 Gerezko 指出，大約每個(gè)孤電子都與附近的四個(gè)碳13 原子核耦合，距離約為1 納米。

實(shí)驗(yàn)裝置完成，孤電子成為量子系統(tǒng)，其周?chē)奶?3原子核成為探測(cè)環(huán)境。

接下來(lái)就是改變量子系統(tǒng)的狀態(tài)。在這種情況下，就是利用激光改變孤電子的自旋方向，然后探測(cè)環(huán)境中的碳13原子核，從而驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義。在去年9月的文章初稿中，團(tuán)隊(duì)表示，他們觀察到了一種類(lèi)似于量子達(dá)爾文主義中描述的現(xiàn)象：孤單電子的自旋方向被環(huán)境記錄下來(lái)，檢測(cè)到的碳13原子核越多，距離就越近。獲得的信息。

圖片| Zurek（來(lái)源：洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提供）

對(duì)于這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，祖雷克表示，實(shí)驗(yàn)本身只是量子達(dá)爾文主義的模擬近似。

可以說(shuō)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子系統(tǒng)的狀態(tài)與環(huán)境的關(guān)系，也支持了量子達(dá)爾文主義。然而，很難說(shuō)這些實(shí)驗(yàn)完全證明了量子達(dá)爾文主義的正確性。因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)仍然沒(méi)有證明或解釋量子物理和經(jīng)典物理之間的轉(zhuǎn)換，也沒(méi)有證偽經(jīng)典物理定律的其他可能發(fā)生的情況。也許我們最需要的是更先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備，先進(jìn)到可以探測(cè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并區(qū)分不同理論解釋之間的差異。

時(shí)至今日，我們?nèi)匀粺o(wú)法辨別量子達(dá)爾文主義的真?zhèn)巍Ｋ拇嬖谌匀蛔裱孔恿W(xué)理論，既真又假。物理學(xué)家所能做的就是不斷尋求真理并使其真實(shí)性更加清晰。最終，量子達(dá)爾文主義的真實(shí)性將崩潰于一種情況。

此外，量子達(dá)爾文主義距離主流理論還很遠(yuǎn)，這一點(diǎn)從發(fā)表相關(guān)文章的學(xué)術(shù)期刊上就可以看出。然而，量子達(dá)爾文主義確實(shí)為量子經(jīng)典轉(zhuǎn)換提供了可能的解釋。未來(lái)我們只能拭目以待相關(guān)研究成果。正如潘建偉團(tuán)隊(duì)在文章中所寫(xiě)，這是驗(yàn)證量子達(dá)爾文主義的第一步。未來(lái)，將會(huì)有更多成果。