量子达尔文主义迎首次验证！潘建伟等中外科学家领衔完成三大实验

达尔文、爱因斯坦，如果将这两人的智慧碰撞在一起，会得到什么？一种名为“量子达尔文主义”的理论可以视为这样的一个成果。

这个理论由波兰裔美国物理学家沃伊切赫·祖瑞克（ Wojciech Zurek ）教授提出。祖瑞克教授在上个世纪 90 年代开始研究量子力学，基于“环境退相关（Environmental Decoherence）”等理论，他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物理理论之间的矛盾（这些矛盾经过长足的讨论甚至已经跨越到哲学领域），并相继在 PRL 和 Nature Physics 顶级物理学期刊上发文，向世人展示这一神奇的理论。

简而言之，“量子达尔文主义”认为，我们熟知的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，其实是在量子力学中被“选择”出来的，就像自然选择一样。

尽管理论形成已久，但量子达尔文主义直到最近一年才得到实验验证，来自中国、意大利和德国的研究小组分别独立地完成了自己的验证。其中一个验证试验由中国科学家潘建伟所带领的团队完成。

随着这些验证的实现，统一微观和宏观的新的可能性正在人类文明面前徐徐展开。

“分裂”和“突变”的微观世界和宏观世界

说起量子物理，我们通常会联系到“玄学”，很大程度上是因为人们的日常生活并不能感受到量子力学的存在。在 20 世纪之前，以牛顿力学为代表的经典物理学原理统治着人们对于物理世界的理解，人们相信任何事物在确切的时间就要有确切的位置。

直到马克思·普朗克（Max Planck）、阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、沃纳·卡尔·海森堡（Werner Karl Heisenberg）等量子力学先驱相继建立量子力学的基础，开启了量子力学这一神奇的领域。

他们通过一系列存在于原子和亚原子尺寸的神奇现象，宣告经典物理在微观世界的失效，并推演出许多量子力学的经典理论。

可以说，概率、不确定以及状态叠加是量子力学的主题。例如，无法给电子（或其他微小粒子）定义一个确定的位置，只有可能确定电子有多少概率出现在一系列地方，所以我们用“电子云”定义原子核外电子的位置。

▲ 电子云模型

一句话概括，统治微观世界的量子物理，遵循“不确定性”原理，解释宏观世界的经典物理学，追求的却是“确定性”。两者的相悖，带来了一个终极拷问似的命题：现实世界是由一个一个原子组成的，遵循的是经典物理学的原理，而在原子层面上考虑，遵循的是量子力学，二者是如何统一在一起的？又或者说，原子尺寸下的量子力学如何集中体现出经典物理学的原理的？

物理学家将这样的突变称为“量子-经典转换”。但事实上，不同尺度大小的世界会遵循不一样的基本原理，抑或这两者之间本不应该存在如此剧烈的突变过渡，都还一直是理论上的各执一词。

达尔文的理论怎么跑到量子领域了？

在过去的好几十年里，科学家不断地在尝试解释，量子力学如何通过粒子或其它微观系统与其周围环境的相互作用而不可避免地演化成经典力学的，并取得了很多了不起的理论成就。最经典的解释就是“哥本哈根解释（Copenhagen Interpretation）”，此理论集合了几位物理学家的观点，其主要的焦点就是“波函数坍塌”。

其中，哥本哈根解释认为波函数是代表量子领域下事物的发展状态，它以概率的形式呈现，就像撒贝宁在“吐槽大会”中说的快递中的电子产品，其状态就是一个波函数，有百分之五十的可能是好的，百分之五十是坏的，整个状态就是“百分之五十是好的，百分之五十是坏的”的状态叠加。

想要知道快递中的电子产品是好还是坏，需要打开这个盒子查看，当我们查看的时候，电子产品的状态才会从两个可能性——好或坏——变成确定的状态，这也就是波函数的坍塌。

历史上，还有一个著名的思想实验“薛定谔的猫”，说的是同一个原理。

通过这两个例子，我们不难看出，在量子力学中的量子系统，一般无法用一个确定的状态描述它们，只能用多种可能状态及其分别的可能性一起来描述它们。

此外，想要确切地确定系统的状态必须要进行测量，而测量本身可能就会对结果产生影响，而造成“波函数坍塌”。其实，“波函数坍塌”这一理论还解释了量子力学的不确定和宏观物理的确定性之间的联系。

在此，我们再回忆一下这个联系是怎样建立的：以快递为案例，它是通过拆快递并查看建立的吧。在“哥本哈根解释”中，这称为经典仪器的测量，而这种测量会对系统的不确定度产生影响。

随之而来的问题是，为什么仪器测量时，系统波函数会坍缩，又是以怎样的规律坍缩的？又有很多物理学家尝试解释这样的现象，其中最有代表性的理论就是量子达尔文主义。

正如文章开头所言，“量子达尔文主义”认为，宏观世界、经典物理学中物体有“确定”的时空属性，例如位置和速度，其实是在量子力学中被“选择”出来的，就像自然选择一样。这些被选择出来的性质，在某种意义上来说是最合适的。正如自然选择中，被选择的物种能够最大程度地“复制”自己，那么被选择的性质也是如此。存在于或者说适用于经典物理学的性质和原理，应该是无穷多个独立的观察者观察量子系统都能够得到的。

其次，根据达尔文的进化论和自然选择学说，物种的进化或者是特点是和其环境息息相关的，存在的物种一定是适合环境的。

也就是说，我们可以通过环境获悉物种的相关信息，例如沙漠中的生物一定很耐旱，冰原上的生物一定都很扛冻等。那么映射到量子达尔文主义中，环境也充当了十分重要的角色，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，传递得最多次的信息就成为了我们经典世界中的物理规律，而这也就是量子状态到宏观经典物理的转变。

三组团队独立实验，首次揭开神秘面纱

那么，这种听上去神乎其神的理论，究竟意味着什么？

最近的一年内，量子达尔文主义迎来了首批实验验证，来自中国、意大利和德国的研究小组分别独立地完成了自己的验证，帮助我们一探究竟。从上面的介绍我们已经知道，环境对于量子系统显现出来的性质是有影响的，而能被我们观测的经典物理性质就应该是观察过程中重复性最高的信息。

因此，三个团队的目标很一致，都是为了寻找量子系统中能够被重复观测的信息，类似于寻找自然选择中存在最多的物种，并以此验证量子达尔文主义。这是科学家在实验验证量子达尔文主义上踏出的第一步，但是可能是最重要的一步，因为，他们认为量子达尔文主义可能就是正确的方向，能够解释我们坚固的现实是怎样从量子力学领域提供的众多选项中凝聚起来的。

其中，中国的团队由中国科技大学潘建伟教授和陆朝阳教授领衔，他们和意大利的研究团队不谋而合。技术实现上，采用的都是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。实验的细节和相关理论推演以论文的形式发表在了 Science Bulletin 上。

实验中，他们先将单光子量子系统和环境光子通过光学器件耦合在一起，然后对环境光子进行检测，来查看有哪些有关单光子量子系统的信息，具体而言在此例中，他们检测的是光子的极化（其电磁场的振动方向）。

根据 Quanta 的报道，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。而实验结果正如他所说，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，而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。

▲德国乌尔姆大学物理学家费多·杰列兹科教授

来自德国乌尔姆大学的研究小组采用的是另一种实验设置。值得一提的是，该小组由光量子物理学家费多·杰列兹科（Fedor Jelezko）教授领衔。在研究过程中，杰列兹科和量子达尔文主义的提出者祖瑞克有很紧密的联系。

在这个团队的实验过程中，他们采取的也是“量子系统+环境监测”的结构。首先杰列兹科团队通过将钻石中一个碳原子替换成氮原子，组成量子系统。具体而言，由于氮原子比碳原子要多一个电子，在氮原子和碳原子成键之后，多出来的这个电子就不能在钻石晶格中成键，它成为了“孤独”的个体，拥有着自旋的自由度，头朝上或朝下。这就构成了一个典型的量子系统，因为它的状态是不确定的，是两种状态可能性的叠加。

然而，这个孤独电子的自旋状态，能够以磁的形式和该钻石晶格中大约 0.3% 的碳原子核发生交互。其实，这 0.3% 的碳原子核就是“碳 13”，碳的同位素之一，区别于常见的“碳 12”，“碳 13”的自然含量要小得多，大约就是0.3%，而其原子核内部结构也略有不同，它比“碳 12”多一个中子。杰列兹科指出，大约每个“孤独电子”都会和附近的 4 个“碳 13”原子核耦合在一起，距离大约在1纳米之内。实验设置完成，“孤独的电子”成为量子系统，而在其周围的“碳13”原子核成为检测的环境。

接下来的事只需要改变量子系统的状态——在此例中就是利用激光改变“孤独的电子”的自旋方向，再检测环境中的“碳 13”原子核就可以验证量子达尔文主义了。在该团队去年9月份的文章初稿中，他们表示观测到了如同量子达尔文主义阐述的现象：“孤独的电子”的自旋方向被环境记录下来，而且检测更多的“碳 13”原子核，得到的信息越接近。

▲祖瑞克

对这样的实验结果，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。

可以说，实验验证了量子系统的状态与环境之间的关系，对于量子达尔文主义也是支持的，但是我们很难说这些实验完全证明了量子达尔文主义的正确性。因为，这些实验还是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。或许我们最需要的还是更加先进的检测设备，先进到能够检测量子系统的状态改变，并且能分辨不同理论阐述之间的分别。

如今，我们还无法辨别量子达尔文主义的真伪，它的存在还是遵循量子力学的理论一样，亦真亦假。物理学家所做的也只能是不断求真，不断地将其真伪性更加明晰，最终量子达尔文主义的真伪才会“坍塌”为一种情况。

另外，量子达尔文主义离主流学说仍有距离，这从其相关的文章发表的学术期刊能侧面瞥见一二。但是，量子达尔文主义确实提供了“量子-经典转换”的可能的解释，只能对今后相关的研究成果拭目以待了，就像潘建伟团队在文章中写的，这是验证量子达尔文主义的第一步，今后还会有更多的成果涌现。

作者：杨一鸣

编辑：沈湫莎 陈曦（实习生）
责任编辑：顾军

来源：DeepTech深科技