什么是量子達(dá)爾文主義？

苗千

“達(dá)爾文主義”一詞已經(jīng)在太多場合被濫用。即便如此，當(dāng)這個名詞的前面被加上“量子”兩個字，還是會讓很多人感到莫名其妙，或是從中嗅到一絲偽科學(xué)的味道。實際上，這個題目是目前在美國洛斯阿拉莫斯實驗室工作的理論物理學(xué)家沃杰克·祖瑞克（Wojciech H. Zurek）研究了數(shù)十年的課題，目標(biāo)正是為了解開量子力學(xué)中最令人迷惑的難題。迄今為止，把“達(dá)爾文主義”與量子力學(xué)聯(lián)系起來，或許為人們理解量子力學(xué)的本質(zhì)提供了一些新的思路，但是仍然遠(yuǎn)沒有真正地解開謎題。

自然到底有多荒謬

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1985年說：“希望你能夠接受自然本來的面目——荒謬。”這位一生研究自然科學(xué)理論的諾貝爾物理學(xué)獎得主在去世前也只能以荒謬來描述自然。結(jié)合他其他的言論，可以認(rèn)為他所說的荒謬正是量子力學(xué)中令人感到不解的地方，而其中最令人迷惑的，就是關(guān)于量子態(tài)與經(jīng)典態(tài)之間的區(qū)別和轉(zhuǎn)換。

100多年來人類對于微觀世界的探索不可謂不成功。人類建立的描述微觀世界運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)顯示出了極強(qiáng)大的威力，至今為止任何一次關(guān)于量子力學(xué)的實驗結(jié)果都符合量子力學(xué)的計算，它已經(jīng)成為人類科學(xué)的基礎(chǔ)理論之一。另一方面，人類也早就開始利用在微觀領(lǐng)域中物質(zhì)的一些特性制造一些全新的工具，例如以微觀量子態(tài)和量子糾纏現(xiàn)象為基礎(chǔ)的量子計算機(jī)正在從研發(fā)階段逐漸進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，它正展現(xiàn)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子計算機(jī)的計算能力。

即便人類在微觀領(lǐng)域的探索越來越深入，在量子領(lǐng)域的應(yīng)用研究也越來越成熟，然而如果找一個詞來形容現(xiàn)在人類對于微觀領(lǐng)域的感受，可能仍然是“荒謬”，原因就在于它違背了人類在生活中所積累的幾乎所有“常識”。

一個物體只能存在于一個地方，它的大小、質(zhì)量、運(yùn)動速度都可以被測量，信息傳播的速度不能超過光速……這些都屬于人們?nèi)粘Ｉ畹某ＷR，然而在微觀領(lǐng)域卻都行不通。一個微觀粒子處于量子態(tài)意味著它可以“同時”存在于多個位置，“同時”具有不同的運(yùn)動狀態(tài)，至于人類測量到它可能具有的諸多可能狀態(tài)中的哪一種，又完全是由概率決定。在這樣的量子力學(xué)描述中，人類天生所固有的存在觀念，因果觀念，乃至?xí)r空觀，全都被打破了。在這種情況下，即使人類目前有能力利用這些量子特性制造出更有效的工具，也遠(yuǎn)談不上對微觀世界有根本的理解。

量子世界與人們所熟悉的宏觀世界為何有如此之多的不同，兩個世界之間的界限究竟在哪里？人類究竟需要幾套理論來描述自然界？關(guān)于這些問題物理學(xué)家們爭論已久。在微觀世界中，波動性和粒子性可以同時存在，以至于讓人們開始質(zhì)疑自己對于“存在”的理解。在量子世界的種種不可思議與宏觀世界的四平八穩(wěn)之間，“觀測”成了隔絕兩個世界的關(guān)鍵步驟。一個處于量子疊加態(tài)的微觀粒子，在被人類“觀測”之后，只會給出各種可能結(jié)果中的一個。種種不可理解的量子態(tài)，在被觀測之后，都只能給出一個確定的數(shù)值。在荒謬與被理解之間，間隔著人類的觀測。

觀測的本質(zhì)又是什么？從科學(xué)角度到哲學(xué)層面，科學(xué)家們至今仍對此眾說紛紜，甚至有人把人類意識的本質(zhì)牽扯其中，但這也只不過是把一個難題轉(zhuǎn)移到了另一個難題。對于這個困擾人類幾十年的難題，目前物理學(xué)界存在著一個“標(biāo)準(zhǔn)答案”，也就是“哥本哈根詮釋”。量子力學(xué)領(lǐng)域教父級的人物，丹麥人尼爾斯·波爾（Niels Bohr）在他于1921年創(chuàng)立的哥本哈根理論物理學(xué)研究所中聚集了一大批研究量子理論的精英人物，形成了所謂的“哥本哈根學(xué)派”。學(xué)派的首領(lǐng)波爾認(rèn)為，人們概念中所謂的“真實”，在你對一個量子系統(tǒng)進(jìn)行觀測之前根本就不存在，是觀測這個行為才使人們可以理解的“真實”出現(xiàn)——從這個意義上來說，人類可以反過來定義觀測的概念，而且并不存在比這樣的詮釋更加深刻的解釋，這樣的解釋也稱為“互補(bǔ)原理”。

哥本哈根詮釋之所以多年來在物理學(xué)界占據(jù)主流地位，就是因為它與各種實驗結(jié)果相符，但是這樣一個看似能夠自圓其說的解釋并不能讓所有物理學(xué)家滿意。觀測被賦予了太特殊的意義，它成為量子世界和宏觀世界之間的界限，這并未解釋觀測的本質(zhì)，更沒有說明它何以具有如此重要的意義。

與哥本哈根詮釋相對的量子達(dá)爾文主義

量子達(dá)爾文主義可以說正是在這樣的背景中應(yīng)運(yùn)而生，在它對于量子力學(xué)的詮釋中，人們可以清晰地感受到一些物理學(xué)家對于哥本哈根詮釋的不滿。哥本哈根詮釋雖然與目前為止一切實驗結(jié)果相符，但它過于機(jī)械化地把自然現(xiàn)象分為“被測量前”和“被測量后”兩種，又對于測量的真正含義避而不談。是否可能有一種更合理的理解方式？

量子達(dá)爾文主義者們采取了一種與哥本哈根詮釋針鋒相對的方式，他們甚至否認(rèn)“觀測”的存在，他們認(rèn)為利用“退相干”（decoherence）的概念代替觀測以解釋量子世界會顯得更加自然。這一流派起始于現(xiàn)年85歲的德國海德堡大學(xué)的理論物理學(xué)家迪特·澤赫（H. Dieter Zeh）從上世紀(jì)70年代起進(jìn)行的研究。在某種意義上，也可以說這一流派是50年代出現(xiàn)的對于量子世界進(jìn)行所謂“多重宇宙”解釋做出的一種延伸，其最主要的共同之處就在于如何解決“觀測”這一行為在量子世界和經(jīng)典世界之間的特殊作用。

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼

1957年，普林斯頓大學(xué)物理系的研究生休·埃弗雷特（Hugh Everett）以《量子力學(xué)形式中的相對狀態(tài)》（Relative State Formulation of Quantum Theory）為題目提交了自己的博士論文，正是在這部論文中第一次提出了“多重宇宙詮釋”概念。3個月后，這篇論文的縮減版即被物理學(xué)界的頂級期刊《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）雜志所收錄，該刊還同時收錄了埃弗雷特的導(dǎo)師、著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）對于弟子這一創(chuàng)意的極高贊揚(yáng)。

“多重宇宙”的創(chuàng)意是以一種思想方法來化解掉量子力學(xué)中“量子態(tài)”“波函數(shù)坍塌”等一系列讓人無法以“常識”理解的效應(yīng)，從而否認(rèn)“觀測”的重要性，甚至是其在量子力學(xué)中存在的意義。依照埃弗雷特的多重宇宙理論，每當(dāng)觀測者與處于量子態(tài)的物體發(fā)生相互作用（即傳統(tǒng)意義上的觀測行為），世界自然會根據(jù)量子態(tài)的不同可能性分化出呈現(xiàn)不同結(jié)論的分支。雖然對于觀測者來說，他所觀測到的數(shù)值是獨(dú)一無二的，但實際上對于量子態(tài)來說，其中的每一個可能的數(shù)值都是客觀真實的存在的，只是一個世界發(fā)生了“分化”（約翰·惠勒在審查埃弗雷特的博士論文時，特地刪掉了“分裂”一詞）。

多重世界詮釋在出現(xiàn)之后雖然引起了一些爭議，卻馬上遭遇了物理學(xué)界的冷淡對待，它的創(chuàng)始人埃弗雷特也因此大受打擊，逐漸退出了物理學(xué)界，并且在抑郁和酗酒的狀態(tài)里年僅51歲就去世了。對于量子力學(xué)的多重世界詮釋之所以沒有受到物理學(xué)界的認(rèn)真對待，最重要的原因或許就在于它更多屬于一種在哲學(xué)層面的思考方式，而不是一種可以被實驗所驗證的科學(xué)理論。一個嚴(yán)肅的科學(xué)理論需要有規(guī)范的數(shù)學(xué)形式來描述，同時對于自然現(xiàn)象做出正確的預(yù)測，相比之下，多重世界詮釋通過一種思考方式，用一種多重世界的圖景來代替被“觀測”分割成兩個世界的“哥本哈根詮釋”，在某種意義上來說，算是用一種荒謬來替代另一種荒謬。

盡管受到多年的冷遇，而且并沒有真正地解決問題，但多重宇宙詮釋自有其意義，并且能夠為其他的物理學(xué)家提供更多思路。多重宇宙詮釋反映了埃弗雷特對于量子力學(xué)的看法，他認(rèn)為量子理論不應(yīng)當(dāng)只適用于微觀領(lǐng)域，人們所觀測到的宇宙不應(yīng)當(dāng)被分為截然不同的兩個部分。正是這樣的思想啟發(fā)了人們對于“退相干”理論的研究，這個理論認(rèn)為，量子態(tài)之所以看起來奇特，正是因為它的獨(dú)立性。一個處于量子態(tài)的獨(dú)立系統(tǒng)的奇特之所以又會消失，是因為它融入于周圍的環(huán)境，成為它的觀測者的一部分。至于人類實驗者對量子系統(tǒng)的觀測，甚至是“意識”在其中的作用，實際上并不重要，因為整個宇宙都在“觀測”著每一個量子系統(tǒng)。

多年來澤赫在海德堡大學(xué)開設(shè)一門名為“時間的方向”的課程，并且早已將講義結(jié)集成書。從70年代起，他與其他幾位物理學(xué)家共同開創(chuàng)了“退相干”領(lǐng)域的研究。如今，這一流派的物理學(xué)家相信，對于物理學(xué)來說，并不存在兩套系統(tǒng)或是兩個截然不同的領(lǐng)域，所謂的“經(jīng)典世界”并非是通過觀測從量子世界中浮現(xiàn)出來，而是量子世界在大尺寸宏觀領(lǐng)域中的本來面目。

盡管沒有為量子力學(xué)增加更多的因素（例如有些物理學(xué)家所倡導(dǎo)的“隱藏變量”），實際上進(jìn)行退相干理論研究的物理學(xué)家們已經(jīng)對于量子力學(xué)的基礎(chǔ)做了最根本的改變，他們不接受量子力學(xué)最基本的假設(shè)——波函數(shù)的坍塌，也不承認(rèn)微觀物體從量子態(tài)到經(jīng)典態(tài)的轉(zhuǎn)變。

否定量子力學(xué)最基本的假設(shè)，意味著需要對于量子力學(xué)（這一套相同的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)）提出一套完全不同的基本假設(shè)，由此再衍生出一些完全不同的詮釋，但是這些詮釋彼此之間仍然會存在一些根本性的矛盾。祖瑞克發(fā)展了澤赫的退相干理論，他認(rèn)為量子因為其“相干性”而展示出了奇異的量子態(tài)，但是這種量子相干性極易“傳染”，當(dāng)一個獨(dú)立的量子系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，也就意味著其相干性“傳染”給了周圍的環(huán)境（當(dāng)然也包括其觀測者），這就意味著觀測者自身也成為這個量子系統(tǒng)疊加態(tài)的一部分。這個所謂的“退相干”的過程并非意味著量子疊加態(tài)消失，而是意味著成為其一部分的觀測者失去了觀測到這種疊加態(tài)的能力。

那么，在各種可能性之中，為什么當(dāng)觀測者去測量一個量子系統(tǒng)，會得到一個確定的值？祖瑞克認(rèn)為，當(dāng)一個孤立的量子系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用而融為一體的過程中，周圍環(huán)境保留了可以在數(shù)學(xué)上呈現(xiàn)出對稱性的結(jié)果而拋棄了其他可能性，祖瑞克稱為“環(huán)境誘導(dǎo)的超選擇”（environment-induced superselection）。隨后，在被留下的可能性中間，被測量的量子系統(tǒng)會在測量儀器上留下自己的印記，也就是被測量值。

祖瑞克和他的同事們研究，一些量子態(tài)更容易留下其量子態(tài)，也就是說更容易被人們所觀察到，在某種程度上也可以說，最能夠“適應(yīng)”的量子態(tài)最容易在周圍環(huán)境中留下自身的印記——也就相當(dāng)于在退相干的過程中存活下來——這個過程與達(dá)爾文主義所倡導(dǎo)的自然選擇有異曲同工之妙，因此祖瑞克稱為“量子達(dá)爾文主義”。從這個角度來說，光子可能是最不容易在環(huán)境中留下印記的粒子，它被產(chǎn)生之后就不輕易與周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，因此他們所攜帶的信息也就不容易被外界所獲取，因此視覺也是人類最值得信賴的感覺之一。

答案依然很遠(yuǎn)

物理學(xué)家們對于退相干理論的研究，或是類比于自然選擇理論的量子達(dá)爾文主義，在某種程度上化解了“測量”在量子系統(tǒng)研究中的特殊地位，但是并未解決全部的問題，比如它仍然沒有解決量子系統(tǒng)的獨(dú)特性問題。在退相干過程中被周圍環(huán)境所保留下來的種種可能值之間，為什么人們只會得到其中的一個？

在目前的物理學(xué)界，哥本哈根詮釋仍然擁有大多數(shù)支持者，而與之相對的退相干理論的研究也正在獲得越來越多的關(guān)注。這兩個看似對立的對于量子力學(xué)的理解，實際上涉及人類關(guān)于真實認(rèn)知的迷惑。退相干理論認(rèn)為量子理論與人們所習(xí)慣的經(jīng)典理論并無不同，人們所看到的經(jīng)典世界，無非就是量子世界在這個尺度的表現(xiàn)而已，而所謂對于量子系統(tǒng)的測量，也只是量子系統(tǒng)與周圍環(huán)境發(fā)生相互影響的一部分而已;在哥本哈根詮釋中，測量的意義在于人們所習(xí)慣的真實的出現(xiàn)，在被測量之前，一個量子系統(tǒng)并不存在一個真正的數(shù)值——所謂的量子態(tài)是一種數(shù)學(xué)形式，人類從來沒有真正地“看到”量子態(tài)，因此它并不與人們所感受到的真實世界發(fā)生矛盾。

對于微觀世界乃至真實本身的理解，究竟是需要更精妙的數(shù)學(xué)形式，還是更深邃的哲學(xué)思考，目前尚未可知。人們無法預(yù)知未來，甚至無法理解目前的物理學(xué)界正在醞釀著怎樣的突破。面對種種迷惑，我們只能說答案依然很遠(yuǎn)。